Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Электротехнический институт

Направление 551300–Электротехника, электромеханика и электротехнологии

Кафедра – Электропривода и электрооборудования

Реферат по дисциплине

«Источники гарантированного и бесперебойного электропитания промышленных предприятий»

на тему НИКЕЛЬ-МЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Студенты группы 7М142

Крупина Н.В._______________

Кондрашов С.А._____________

«_____»________________

Руководитель профессор, д.т.н.

Гарганеев А.Г._______________

«_____»___________2009г.

Томск – 2009

Введение

1. Терминология

3. Никель-металлогидридные аккумуляторы

4. Основные процессы Ni-MH аккумуляторов

5. Конструкция электродов Ni-MH аккумуляторов

6. Конструкция Ni-MH аккумуляторов

7. Характеристики Ni-MH аккумуляторов

8. Зарядка Ni-MH аккумулятора

9. Достоинства и недостатки Ni-MH аккумуляторов

10. Стандарты и обозначения НМ-аккумуляторов

11. Хранение и эксплуатация Ni-MH аккумуляторов

12. Производители и перспективность НМ-аккумуляторов

13. Утилизация

Заключение

Список использованных источников

Введение

Практически невозможно представить современный мир без всякого рода электронной техники. Цифровые технологии настолько удачно вписались в нашу жизнь, сделав ее удобней и интересней, что отказаться от них мы уже просто не в силах.

Однако не стоит забывать, что для работы мобильных устройств нужны портативные источники питания, которые смогли бы обеспечить все более возрастающие потребности современной электроники. Мы получили WiFi и Bluetooth, освободившись от проводов для передачи данных, но мы все еще остаемся привязанными к электрическим сетям.

Прикладная наука, однако, не стоит на месте, предлагая все новые и новые виды источников электроэнергии. С другой стороны все же странно, что при наличии такого числа новых технологий, у нас все еще «умирают» батарейки телефонов, смартфонов, КПК и прочих гаджетов. Происходит это потому, что люди задумываются над правильным обращением с аккумулятором исключительно тогда, когда он окончательно вышел из строя и его со спокойной душой можно сдать в утиль. При этом следует понимать, что замена аккумулятора может влететь в копеечку. Не спорим, мало кому нравится строго соблюдать правила эксплуатации, но, к сожалению, только таким образом долговечность аккумулятора может быть доведена до максимума.

На сегодняшний день распространены аккумуляторы пяти различных электрохимических схем никель-кадмиевые (Ni-Cd), никель-металлогидридные (Ni-MH), свинцово-кислотные (Sealed Lead Acid, SLA), литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Polymer). Определяющим фактором для всех перечисленных элементов питания является не только портативность (т.е. небольшой объем и вес), но и высокая надежность, а также большое время работы. Основные параметры аккумулятора - это энергетическая плотность (или удельная энергия по массе), число циклов заряд/разряд, скорости зарядки и саморазряда. Cвинцово-кислотный аккумулятор состоит, как правило, из двух пластин (электродов), помещенных в электролит (водный раствор серной кислоты). У никелево-кадмиевого элемента отрицательные и положительные пластины скатаны вместе и помещены в металлический цилиндр. Положительная пластина состоит из гидроксида никеля, а отрицательная - из гидроксида кадмия. Две пластины изолированы разделителем, который увлажнен электролитом.

Никелево-металлогидридный аккумулятор конструктивно похож на никелево-кадмиевый аккумулятор, но имеет иной химический состав электролита и электродов. В литиево-ионном аккумуляторе электроды и сепаратор (разделитель) помещены в электролит из литиевой соли.

Существует огромное количество мифов и легенд о якобы идеальном режиме эксплуатации, о способах «тренировки», хранения, методах и режимах зарядки и восстановления аккумуляторов, но давайте попробуем разобраться.

1.Терминология

Аккумулятор (от лат. аccumulator - собиратель, accumulo - собираю, накопляю) - устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования. Электрический аккумулятор преобразует электрическую энергию в химическую и по мере надобности обеспечивает обратное преобразование. Зарядка аккумулятора происходит путем пропускания через него электрического тока. В результате вызванных химических реакций один из электродов приобретает положительный заряд, а другой - отрицательный.

Аккумулятор, как электрический прибор, характеризуется следующими основными параметрами: электрохимической системой, напряжением, электрической емкостью, внутренним сопротивлением, током саморазряда и сроком службы.

Емкость аккумулятора - количество энергии, которой должен обладать полностью заряженный аккумулятор. В практических расчетах емкость принято выражать ампер-часах (

). Количество ампер-часов показывает период времени, в течение которого будет работать данный аккумулятор при силе тока в 1 ампер. Стоит, правда, добавить, что в современных мобильных устройствах используются токи гораздо меньшей силы, поэтому емкость аккумуляторов часто измеряется в милиампер-часах ( или , или mAh). Номинальная емкость (как должно быть) всегда указывается на самом аккумуляторе или на его упаковке. Однако реальная емкость не всегда совпадает с номинальной. На практике, реальная емкость аккумулятора колеблется в пределах от 80% до 110% от номинального значения.

Удельная емкость - отношение емкости аккумулятора к его габаритам или массе.

Цикл - одна последовательность заряда и разряда аккумулятора.

Эффект памяти - потеря емкости аккумулятора в процессе его эксплуатации. Она проявляется в тенденции аккумулятора приспосабливаться к рабочему циклу, по которому батарея работала определенный период времени. Другими словами, если заряжать аккумулятор несколько раз, не разрядив его перед этим полностью, он как бы «запоминает» свое состояние и в следующий раз просто не сможет разрядиться полностью, следовательно, емкость его уменьшается. По мере увеличения числа зарядно-разрядных циклов эффект памяти проявляется все отчетливее.

При таких условиях эксплуатации внутри аккумулятора происходит увеличение кристаллов на пластине (о строении аккумуляторов будет рассказано ниже), которые и уменьшают поверхность электрода. При мелких кристаллических образованиях внутреннего рабочего вещества площадь поверхности кристаллов максимальна, следовательно, максимально и количество энергии, запасаемой аккумулятором. При укрупнении кристаллических образований в процессе эксплуатации - площадь поверхности электрода уменьшается и, как следствие, уменьшается реальная емкость.

На рисунке 1 изображено действие эффекта памяти.

Рисунок 1 – Эффект памяти.

Саморазряд - самопроизвольная потеря аккумулятором запасенной энергии с течением времени. Это явление вызвано окислительно-восстановительными процессами, протекающими самопроизвольно, и присуще всем типам аккумуляторов, независимо от их электрохимической системы. Для количественной оценки саморазряда используется величина потерянной аккумулятором за определенное время энергии, выраженная в процентах от значения, полученного сразу после заряда. Саморазряд максимален в первые 24 часа после заряда, поэтому оценивается как за первые сутки, так и за первый месяц после заряда. Величина саморазряда аккумулятора в значительной степени зависит от температуры окружающей среды. Так, при повышении температуры выше 100°С саморазряд может увеличиться в два раза.

2. Аккумуляторы: виды и происхождение

Лидирующее положение на рынке по производству аккумуляторов занимает Япония, Тайвань, Китай, Южная Корея, и они постоянно увеличивают масштабы своего «скромного» присутствия на мировом рынке.

На рынке сегодня присутствуют десятки различных конструкций аккумуляторов, и каждая фирма-изготовитель старается достичь оптимального сочетания характеристик - высокой емкости, малых размеров и веса, работоспособности в широком температурном диапазоне и в экстремальных условиях.

В то же время исследования показывают, что более 65% пользователей мобильной и портативной техники хотят иметь еще более емкие аккумуляторы, и они готовы заплатить немалые деньги за возможность пользоваться «машинкой» (или телефоном) в течение нескольких дней без подзарядки. Именно поэтому в большинстве случаев, требуется покупка более емкой батареи, чем идущая в комплекте.

По электрохимической системе аккумуляторы делятся на несколько видов:

Свинцово-кислотные (Sealed Lead Acid, SLA);

Никель-кадмиевые (Ni-Cd);

Никель-металлогидридные (Ni-MH);

Литий-ионные (Li-Ion);

Литий-полимерные (Li-Pol);

Топливные.

В современной портативной электронике свинцовые аккумуляторы уже не используются, поэтому мы начнем наш экскурс с никелевых батарей, все еще применяемых в аккумуляторах для фотоаппаратов, ноутбуков, видеокамер и других устройств.

Родоначальником никелевых аккумуляторов были никель-кадмиевые (Ni-Cd) батареи, изобретенные еще в далеком 1899 году шведским ученым Вальдемаром Юнгнером (Waldmar Jungner). Принцип их работы заключался в том, что никель выступает в качестве положительного электрода (катода), а кадмий в качестве отрицательного (анода). На первых порах это был открытый аккумулятор, в котором кислород, выделяющийся во время заряда, уходил прямиком в атмосферу, что мешало созданию герметичного корпуса и, вкупе с дороговизной необходимых материалов, заметно притормозило начало массового производства.

Основное отличие Ni-Cd аккумуляторов и Ni-Mh аккумуляторов — это состав. Основа аккумулятора одинаковая — это никель, он является катодом, а аноды разные. У Ni-Cd аккумулятора анодом является металлический кадмий, у Ni-Mh аккумулятора анодом является водородный металлогидридный электрод.

У каждого типа аккумулятора есть свои плюсы и минусы, зная их вы, сможете более точно подобрать необходимый вам аккумулятор.

	Плюсы	Минусы
Ni-Cd	Низкая цена. Возможность отдавать большой ток нагрузки. Широкий диапазон рабочих температур от -50°C до +40°C. Ni-Cd аккумуляторы даже могут заряжаться при отрицательной температуре. До 1000 циклов заряда-разряда, при правильной эксплуатации.	Относительно высокий уровень саморазряда (примерно 8-10%% в первый месяц хранения) После длительного хранения требуется 3-4 цикла полного заряда-разряда для полного восстановления аккумулятора. Обязательно полный разряд аккумулятора перед зарядкой, для предотвращения «эффекта памяти» Больший вес относительно Ni-Mh аккумулятора одинаковых габаритах и ёмкости.
Ni-Mh	Большая удельная емкость относительно Ni-Cd аккумулятора (т.е. меньший вес при той же емкости). Практически отсутствует «эффект памяти». Хорошая работоспособность при низких температурах, хотя и уступает Ni-Cd аккумулятору.	Более дорогие аккумуляторы в сравнении с Ni-Cd. Большее время зарядки. Меньший рабочий ток. Меньшее количество циклов заряда-разряда (до 500). Уровень саморазряда в 1,5-2 раза выше, чем у Ni-Cd.

Подойдёт ли старое зарядное устройство к новому аккумулятору если я поменяю Ni-Cd на Ni-Mh аккумулятор или наоборот?

Принцип заряда у обоих аккумуляторов абсолютно одинаковый, поэтому зарядное устройство можно использовать от предыдущего аккумулятора. Основное правило зарядки данных аккумуляторов заключается в том, что заряжать их можно только после полной разрядки. Это требование является следствием того, что оба типа аккумулятора подвержены «эффекту памяти», хотя у Ni-Mh аккумуляторов эта проблема сведена к минимуму.

Как правильно хранить Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторы?

Лучшее место для хранения аккумулятора — сухое прохладное помещение, так как чем выше температура хранения, тем быстрее происходит саморазряд аккумулятора. Хранить батарею можно в любом состоянии кроме полного разряда или полного заряда. Оптимальный заряд — 40-60%%. Раз в 2-3 месяца следует проводить дозаряд (по причине присутствующего саморазряда), разряд и снова заряд до 40-60%% ёмкости. Допустимо хранение сроком до пяти лет. После хранения батарею следует разрядить, зарядить и после этого использовать в обычном режиме.

Можно ли использовать аккумуляторы большей или меньшей ёмкости чем аккумулятор из первоначального комплекта?

Ёмкость аккумулятора — это время работы вашего электроинструмента от аккумулятора. Соответственно для электроинструмента нет абсолютно никакой разницы по ёмкости аккумулятора. Фактическая разница будет только во времени зарядки аккумулятора, и времени работы электроинструмента от аккумулятора. При выборе ёмкости аккумулятора следует отталкиваться от ваших требований, если требуется дольше работать, используя один аккумулятор — выбор в пользу более ёмких аккумуляторов, если комплектные аккумуляторы полностью устраивали, то следует остановиться на аккумуляторах равных или близких по ёмкости.

Все мы привыкли к тому, что в автомобилях в основном используются свинцовые аккумуляторы . Но существуют и другие типы батарей, которые обеспечивают запуск и движение автомобиля, и одна из них — это никель-металлогидридный аккумулятор, о достоинствах и недостатках которой мы поговорим с вами сегодня.

Никель-металлогидридные аккумуляторы применяются в основном в гибридных автомобилях либо электрокарах. Итак, что же нужно знать о свойствах аккумулятора данного типа?

Достоинства никель-металлогидридных батарей

Высокая мощность батареи (по сравнению с никель-кадмиевыми аккумуляторами). Разница составляет до 40 %. При этом, такая батарея обладает малым весом
У никель-металлогидридных аккумуляторов очень низкий эффект памяти , а это значит, что пользователь может без проблем подзаряжать элементы питания, не дожидаясь их полной разрядки
NiMH-батарея обладает высокой механической надежностью
Полные циклы зарядки-разрядки такого аккумулятора проводятся значительно реже, чем батареи NiCd
Никель металлогидридные аккумуляторы не требуют особых условий транспортировки
Эти батареи экологически-чистые , после истечения срока эксплуатации их без проблем можно утилизировать

Недостатки никель-металлгидридных аккумуляторных батарей

К сожалению, недостатки у такого типа батарей тоже есть. И самый главный из них — это очень высокий уровень саморазряда . Иными словами, даже в том случае, если автомобиль стоит и не эксплуатируется, батарея разряжается.

Чтобы продлить срок службы батареи, в том случае, если батарея не эксплуатировалась слишком долго, перед зарядкой ее необходимо полностью разрядить. Таким образом, ввы продлите срок ее службы.

Следующий недостаток никель-металлогидридного аккумулятора — это сравнительно малое (около 600) циклов заряда.

Вышеописанная батарея также плохо переносит высокие температуры (от 25 градусов тепла ), поэтому хранить ее нужно в прохладных условиях. Здесь нужно учитывать также и то, что хранение батареи в разряженном состоянии ускоряет ее старение. Средний срок хранения — 3 года.

Кроме того, важно учитывать также и тир зарядного устройства, которое вы собираетесь использовать для зарядки никель металлогидридного аккумулятора . Оно должно быть со стадийным алгоритмом заряда, так вы избежите перегрева и перезаряда аккумулятора, которые негативно влияют на его качественные характеристики.

Еще один фактор, который следует учитывать при эксплуатации никель металлогидридных аккумуляторов — здесь очень важно не превышать максимально допустимые нагрузки , рекомендованные производителем.

И напоследок: при соблюдении всех норм и правил использования, а также хранения никель-металлогидридных аккумуляторов, они будут служить вам очень долго.

И были предприняты как попытка преодоления недостатков . Однако, применяемые в то время металл-гидридные соединения были нестабильны, и требуемые характеристики не были достигнуты. В результате процесс разработки NiMH аккумуляторов застопорился. Новые металл-гидридные соединения, достаточно устойчивые для применения в аккумуляторах, были разработаны в 1980. Начиная с конца восьмидесятых годов XX века NiMH аккумуляторы постоянно совершенствовались, главным образом по плотности запасаемой энергии . Их разработчики отмечали, что для NiMH технологии имеется потенциальная возможность достижения ещё более высоких плотностей энергии.

Параметры

Теоретическая энергоёмкость (Вт·ч /кг): 300 Вт·ч/кг .
Удельная энергоёмкость: около - 60-72 Вт·ч/кг.
Удельная энергоплотность (Вт·ч/дм ³): около - 150 Вт·ч/дм³.
ЭДС: 1,25 .
Рабочая температура: −60…+55 °C .(-40… +55)
Срок службы: около 300-500 циклов заряда/разряда.

Описание

Никель-металл-гидридные аккумуляторы форм фактора "Крона", как правило- начальным напряжением 8,4 вольта, постепенно снижает напряжение до 7,2 вольт, а затем, когда энергия аккумулятора будет исчерпана, напряжение быстро снижается. Этот тип аккумуляторов разработан для замены никель-кадмиевых аккумуляторов . Никель-металл-гидридные аккумуляторы имеют примерно на 20 % большую емкость при тех же габаритах, но меньший срок службы - от 200 до 300 циклов заряда/разряда. Саморазряд примерно в 1,5-2 раза выше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов.

NiMH аккумуляторы практически избавлены от «эффекта памяти ». Это означает, что заряжать не полностью разряженный аккумулятор можно, если он не хранился больше нескольких дней в таком состоянии. Если же аккумулятор был частично разряжен, а затем не использовался в течение длительного времени (более 30 дней), то перед зарядом его необходимо разрядить.

Экологически безопасны.

Наиболее благоприятный режим работы: заряд небольшим током, 0,1 номинальной ёмкости, время заряда - 15-16 часов (типичная рекомендация производителя).

Хранение

Аккумуляторы нужно хранить полностью заряженными в холодильнике, но не ниже 0 градусов . При хранении желательно регулярно (раз в 1-2 месяца) проверять напряжение. Оно не должно падать ниже 1,37 . Если же напряжение упало, необходимо зарядить аккумуляторы заново. Единственный вид аккумуляторов, которые могут храниться разряженными, - это Ni-Cd аккумуляторы .

NiMH аккумуляторы с низким саморазрядом (LSD NiMH)

Никель-металл-гидридные аккумуляторы с низким саморазрядом (the low self-discharge nickel-metal hydride battery, LSD NiMH), впервые были представлены в ноябре 2005 фирмой Sanyo под торговой маркой Eneloop. Позднее многие мировые производители представили свои LSD NiMH аккумуляторы.

Этот тип аккумуляторов имеет сниженный саморазряд, а значит обладает более длительным сроком хранения по сравнению с обычными NiMH. Аккумуляторы продаются как «готовые к использованию» или «предварительно заряженный» и позиционируются как замена щелочным батарейкам.

По сравнению с обычными аккумуляторами NiMH, LSD NiMH являются наиболее полезными, когда между зарядкой и использованием аккумулятора может пройти более трех недель. Обычные NiMH аккумуляторы теряют до 10% емкости зарядом в течение первых 24 часов после заряда, зетем ток саморазряда стабилизируется на уровне до 0,5% емкости в день. Для LSD NiMH этот параметр как правило находится в диапазоне от 0,04% до 0,1% емкости в день. Производители утверждают, что улучшив электролит и электрод, удалось добиться следующих преимуществ LSD NiMH относительно классической технологии:

Из недостатков следует отметить сравнительно чуть меньшую емкость. В настоящее время (2012 год) максимально достигнутая паспортная емкость LSD - 2700 mAh.

Тем не менее, при тестировании аккумуляторов Sanyo Eneloop XX с паспортной емкостью 2500mAh (min 2400mAh) оказалось, что все из аккумуляторов партии в 16 штук (сделаны в Японии, проданы в Ю.Корее) имеют емкость даже больше - от 2550 mAh до 2680 mAh. Тестировалось зарядкой LaCrosse BC-9009.

Неполный список аккумуляторов долгого хранения (с низким саморазрядом):

Prolife от Fujicell
Ready2Use Accu от Varta
AccuEvolution от AccuPower
Hybrid, Platinum, и OPP Pre-Charged от Rayovac
eneloop от Sanyo
eniTime от Yuasa
Infinium от Panasonic
ReCyko от Gold Peak
Instant от Vapex
Hybrio от Uniross
Cycle Energy от Sony
MaxE и MaxE Plus от Ansmann
EnergyOn от NexCell
ActiveCharge/StayCharged/Pre-Charged/Accu от Duracell
Pre-Charged от Kodak
nx-ready от ENIX energies
Imedion от
Pleomax E-Lock от Samsung
Centura от Tenergy
Ecomax от CDR King
R2G от Lenmar
LSD ready to use от Turnigy

Другие преимущества NiMH аккумуляторов с низким саморазрядом (LSD NiMH)

Никель-металл-гидридные аккумуляторы с низким саморазрядом обычно имеют значительно более низкое внутреннее сопротивление чем обычные NiMH батареи. Это сказывается весьма положительно в приложениях с высоким токопотреблением:

Более стабильное напряжение
Уменьшенное тепловыделение особенно на режимах быстрого заряда/разряда
Более высокая эффективность
Способность к высокой импульсной токоотдаче (Пример: зарядка вспышки фотоаппарата происходит быстрее)
Возможность продолжительной работы в устройствах с низким энергопотреблением (Пример: пульты ДУ, часы.)

Методы заряда

Зарядка производится электрическим током при напряжении на элементе до 1,4 - 1,6 В. Напряжение на полностью заряженном элементе без нагрузки составляет 1,4 В. Напряжение при нагрузке меняется от 1,4 до 0,9 В. Напряжение без нагрузки на полностью разряженном аккумуляторе составляет 1,0 - 1,1 В (дальнейшая разрядка может испортить элемент). Для зарядки аккумулятора используется постоянный или импульсный ток с кратковременными отрицательными импульсами (для восстановления эффекта «памяти», метод «FLEX Negative Pulse Charging» или «Reflex Charging»).

Контроль окончания заряда по изменению напряжения

Одним из методов определения окончания заряда является метод -ΔV. На изображении показан график напряжения на элементе при заряде. Зарядное устройство заряжает аккумулятор постоянным током. После того, как аккумулятор полностью заряжен, напряжение на нём начинает падать. Эффект наблюдается только при достаточно больших токах зарядки (0,5С..1С). Зарядное устройство должно определить это падение и выключить зарядку.

Существует ещё так называемый «inflexion» - метод определения окончания быстрой зарядки. Суть метода заключается в том, что анализируется не максимум напряжения на аккумуляторе, а максимум производной напряжения по времени. То есть быстрая зарядка прекратится в тот момент, когда скорость роста напряжения будет максимальной. Это позволяет завершить фазу быстрой зарядки раньше, когда температура аккумулятора еще не успела значительно подняться. Однако метод требует измерения напряжения с большей точностью и некоторых математических вычислений (вычисления производной и цифровой фильтрации полученного значения).

Контроль окончания заряда по изменению температуры

При зарядке элемента постоянным током бóльшая часть электрической энергии преобразуется в химическую энергию. Когда аккумулятор полностью заряжен, то подводимая электрическая энергия будет преобразовываться в тепло. При достаточно большом зарядном токе можно определить окончание заряда по резкому увеличению температуры элемента, установив датчик температуры аккумулятора. Максимальная допустимая температура аккумулятора 60°С.

Области применения

Замена стандартного гальванического элемента, электромобили, дефибрилляторы, ракетно-космическая техника, системы автономного энергоснабжения, радиоаппаратура, осветительная техника.

Выбор емкости аккумуляторов

При использовании NiMH аккумуляторов далеко не всегда следует гнаться за большой ёмкостью. Чем более ёмкий аккумулятор, тем выше (при прочих равных условиях) его ток саморазряда. Для примера рассмотрим аккумуляторы ёмкостью 2500 мАч и 1900 мАч. Полностью заряженные и не используемые в течение, например, месячного срока аккумуляторы потеряют часть своей электрической ёмкости вследствие саморазряда. Более ёмкий аккумулятор будет терять заряд значительно быстрее, чем менее ёмкий. Таким образом по прошествии, например, месяца аккумуляторы будут иметь примерно равный заряд, а по прошествии ещё большего времени изначально более ёмкий аккумулятор будет содержать меньший заряд.

С практической точки зрения аккумуляторы высокой ёмкости (1500-3000 мАч для AA-батарей) есть смысл использовать в устройствах с высоким потреблением энергии в течение короткого времени и без предварительного хранения. Например:

В радиоуправляемых моделях;
В фотоаппарате - для увеличения количества снимков, сделанных в относительно короткий промежуток времени;
В прочих устройствах, в которых заряд будет выработан за относительно короткий срок.

Аккумуляторы же низкой ёмкости (300-1000 мАч для AA-батарей) скорее подойдут для следующих случаев:

Когда использование заряда начинается не сразу после зарядки, а по прошествии значительного времени;
Для периодического использования в устройствах (ручные фонари, GPS-навигаторы, игрушки, рации);
Для длительного использования в устройстве с умеренным энергопотреблением.

Производители

Никель-металл-гидридные аккумуляторы производятся разными фирмами, в том числе:

Camelion
Lenmar
Наша сила
НИАИ ИСТОЧНИК
Космос

См. также

Литература

Хрусталёв Д. А. Аккумуляторы. М: Изумруд, 2003.

Примечания

Ссылки

ГОСТ 15596-82 Источники тока химические. Термины и определения
ГОСТ Р МЭК 61436-2004 Аккумуляторы никель-металл-гидридные герметичные
ГОСТ Р МЭК 62133-2004 Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной и другие некислотные электролиты. Требования безопасности для портативных герметичных аккумуляторов и батарей из них при портативном применении


Гальванический элемент	Гальванический элемент Даниеля \| Щелочной элемент \| \| Сухой элемент \| Концентрационный элемент \| Воздушно-цинковый элемент \| Нормальный элемент Вестона
Электрические аккумуляторы	Свинцово-кислотный \| Серебряно-цинковый \| Никель-кадмиевый \| Никель-металл-гидридный \| Никель-цинковый аккумулятор \| Литий-ионный \| Литий-полимерный \| Литий-железо-сульфидный \| Литий-железо-фосфатный \| Литий-титанатный \| Ванадиевый \| Железо-никелевый
Топливные элементы	Прямой метанольный \| Твердооксидный \| Щелочной
Модели

Особенности зарядки Ni─MH аккумуляторов, требования к зарядному устройству и основные параметры

Никель─металлогидридные аккумуляторы постепенно распространяются на рынке, и совершенствуется технология их производства. Многие производители постепенно улучшают их характеристики. В частности, увеличивается количество циклов заряд-разряд и снижается саморазряд Ni─MH батареек. Этот тип батарей выпускался на замену Ni─Cd аккумуляторов и понемногу они вытесняют их с рынка. Но остаются некоторые направления использования, где никель─металлогидридные батареи не могут заменить кадмиевые. Особенно там, где требуются высокие разрядные токи. И тот и другой тип батареек для продления срока службы требуют грамотной зарядки. Мы уже рассказывали о зарядке никель─кадмиевых батарей, а теперь пришла очередь заряжать Ni─MH аккумуляторы.

В процессе заряда в аккумуляторе проходит ряд химических реакций, на которые идёт часть подаваемой энергии. Другая часть энергии преобразуется в тепло. КПД процесса зарядки ─ это та часть подаваемой энергии, которая остаётся в «запасе» у батареи. Значение КПД может отличаться в зависимости от условий заряда, но никогда не бывает равным 100 процентов. Стоит отметить, что КПД при зарядке Ni─Cd аккумуляторов выше, чем в случае с никель─металлогидридными. Процесс зарядки Ni─MH аккумуляторов происходит с большим выделением тепла, что накладывает свои ограничения и особенности. Подробнее о том, читайте в статье по указанной ссылке.

Скорость зарядки больше всего зависит от величины подаваемого тока. Какими токами заряжать Ni─MH батареи, определяется выбранным типом заряда. В этом случае ток измеряется в долях от ёмкости (С) Ni─MH аккумуляторов. Например, при ёмкости 1500 мА-ч ток 0,5С будет составлять 750 мА. В зависимости от скорости заряда никель─металлогидридных аккумуляторов различают три вида зарядки:

Капельная (ток заряда 0,1С);
Быстрая (0,3С);
Ускоренная (0,5─1С).

По большому счёту типов зарядки всего два: капельная и ускоренная. Быстрая и ускоренная – это практически одно и то же. Отличаются они лишь методом остановки процесса заряда.

Вообще, любая зарядка Ni─MH аккумуляторов током больше 0,1С является быстрой и требует отслеживания каких-то критериев окончания процесса. Капельная зарядка этого не требует и может продолжаться неопределённое время.

Виды зарядки никель─металлогидридных аккумуляторов

Теперь, давайте, рассмотрим особенности разных видов зарядки подробнее.

Капельная зарядка Ni─MH аккумуляторов

Здесь стоит сказать, что этот тип зарядки не способствует увеличению срока службы Ni─MH аккумуляторов. Поскольку капельная зарядка не отключается даже после полного заряда, ток выбирается очень маленьким. Это сделано для того, чтобы при длительной зарядке не происходило перегрева батареек. В случае Ni─MH батарей значение тока может быть даже снижено до 0,05С. Для никель─кадмиевых подойдёт 0,1С.

При капельной зарядке отсутствует характерный максимум напряжения и ограничением этого типа зарядки может выступать только время. Чтобы оценить необходимое время, потребуется знать ёмкость и начальный заряд батареи. Чтобы рассчитать время зарядки более точно, нужно разрядить батарею. Это исключит влияние начального заряда. КПД при капельной зарядке Ni─MH аккумуляторов находится на уровне 70 процентов, что ниже остальных видов. Многие производители никель─металлогидридных батарей не рекомендуют использовать капельную зарядку. Хотя в последнее время появляется всё больше информации о том, что современные модели Ni─MH аккумуляторов не деградируют в процессе капельного заряда.

Быстрая зарядка никель─металлогидридных аккумуляторов

Производители Ni─MH аккумуляторов в своих рекомендациях приводят характеристики для заряда с величиной тока в интервале 0,75─1С. Ориентируйтесь на эти значения, когда будете выбирать, каким током заряжать Ni─MH аккумуляторы. Значения тока заряда выше этих значений не рекомендуются, поскольку это может привести к открытию аварийного клапана для сброса давления. Быструю зарядку никель─металлогидридных батарей рекомендуется проводить при температуре 0─40 градусов Цельсия и напряжении 0,8─,8 вольта.

КПД процесса быстрой зарядки значительно больше, чем капельной. Он составляет около 90 процентов. Однако к моменту окончания процесса КПД резко снижается, и энергия переходит в выделение тепла. Внутри батарейки резко растёт температура и давление. имеют аварийный клапан, который может открыться при увеличении давления. В этом случае свойств аккумулятора будут безвозвратно потеряны. Да и сама высокая температура оказывает пагубное влияние на структуру электродов батарейки. Поэтому нужны чёткие критерии, по которым процесс заряда будет останавливаться.

Требования к зарядному устройству (ЗУ) для Ni─MH батарей мы представим ниже. Пока отметим, что такие ЗУ ведут заряд по определённому алгоритму. Стадии этого алгоритма в общем виде следующие:

определение наличия аккумуляторной батареи;
квалификация батареи;
пред-зарядка;
переход на быструю зарядку;
быстрая зарядка;
дозарядка;
поддерживающая зарядка.

На этом этапе подаётся ток 0,1С и выполняется проверка напряжения на полюсах. Для старта процесса заряда напряжение должно составлять не более 1,8 вольта. Иначе процесс не стартует.

Стоит отметить, что проверка наличия аккумулятора проводится и на других стадиях. Это необходимо на тот случай, если аккумулятор вынимается из зарядного устройства.

Если логика ЗУ определяет, что величина напряжения больше 1,8 вольта, то это воспринимается, как отсутствие аккумуляторной батареи или её повреждение.

Квалификация батареи

Здесь определяется примерная оценка заряженности аккумулятора. Если напряжение будет менее 0,8 вольта, то быстрый заряд аккумулятора запускать нельзя. В этом случае зарядное устройство включит режим пред-зарядки. При нормальной эксплуатации Ni─MH батарейки редко разряжают до напряжения ниже 1 вольт. Поэтому пред-зарядка включается только в случае глубоких разрядов и после длительного хранения батареек.

Пред-зарядка

Как уже говорилось выше, пред-зарядка включается при глубоком разряде Ni─MH аккумуляторов. Ток на этой стадии устанавливается на уровне 0,1─0,3С. По времени этот этап ограничен и составляет где-то около 30 минут. Если за это время аккумулятор не восстанавливает напряжения 0,8 вольта, то заряд прерывается. В этом случае батарейка, скорее всего, повреждена.

Переход к быстрой зарядке

На этом этапе происходит плавное увеличение зарядного тока. Наращивание тока происходит плавно в течение 2─5 минут. При этом, как и на других стадиях, ведётся контроль температуры и отключение заряда при критических значениях.

Ток заряда на этой стадии находится в интервале 0,5─1С. Самое главное на стадии быстрой зарядки является своевременного отключение тока. Для этого при зарядке Ni─MH аккумуляторов используется контроль по нескольким разным критериям.

Для тех, кто не в курсе, при зарядке используется метод контроля по дельте напряжения. В процессе зарядки оно постоянно растёт, а по окончании процесса начинает падать. Обычно окончание заряда определяется по падению напряжения на 30 мВ. Но этот способ контроля с никель─металлогидридными аккумуляторами работает не очень хорошо. В этом случае падение напряжение не так сильно выражено, как в случае Ni─Cd. Поэтому для срабатывания отключения нужно увеличивать чувствительность. А при повышенной чувствительности повышается вероятность ложного срабатывания из-за шумов аккумулятора. Кроме того, при зарядке нескольких батареек срабатывание происходит в разное время и весь процесс размазывается.

Но всё равно остановка зарядки по падению напряжения является основной. При заряде током 1С падение напряжения для отключения составляет 2,5─12 мВ. Иногда производители устанавливают детектирование не по падению, а по отсутствию изменения напряжения в конце заряда.

При этом в период первых 5─10 минут зарядки контроль по дельте напряжения отключается. Это объясняется тем, что при старте быстрой зарядки напряжение аккумулятора может сильно меняться в результате процесса флуктуации. Поэтому на начальном этапе контроль отключается, чтобы исключить ложные срабатывания.

Из-за не слишком высокой надёжности отключения зарядки по дельте напряжения используется контроль и по другим критериям.

В конце процесса заряда Ni─MH аккумуляторной батареи её температура начинает расти. По этому параметру и делается отключение заряда. Чтобы исключить значение температуры ОС, мониторинг ведётся не по абсолютному значению, а по дельте. Обычно в качестве критерия прекращения заряда берётся рост температуры более чем на 1 градус за минуту. Но этот способ может не срабатывать при токах заряда менее 0,5С, когда температура растёт достаточно медленно. И в этом случае возможен перезаряд Ni-MH батареи.

Ещё существует метод контроля процесса заряда по анализу производной напряжения. В этом случае ведётся мониторинг не дельты напряжения, а скорость его максимального роста. Метод позволяет прекращать быструю зарядку несколько раньше завершения заряда. Но такой контроль сопряжён с рядом сложностей, в частности, более точного измерения напряжения.

Некоторые зарядные устройства для Ni─MH аккумуляторов применяют для заряда не постоянный ток, а импульсный. Он подаётся продолжительностью 1 секунда с интервалами 20─30 миллисекунд. В качестве преимуществ такого заряда специалисты называют более равномерное распределение активных веществ по объёму аккумулятора и снижение образования крупных кристаллов. Кроме того, сообщается о более точном измерении напряжения в интервалах между подачей тока. Как развитие этого метода, был предложен Reflex Charging. В этом случае при подаче импульсного тока чередуется заряд (1 секунда) и разряд (5 секунд). Ток разряда ниже заряда в 1─2,5 раза. В качестве преимуществ можно выделить меньшую температуру при заряде и устранение крупных кристаллических образований.

При зарядке никель─металлогидридных аккумуляторов очень важным является контролировать окончание процесса зарядки по различным параметрам. Должны быть предусмотрены способы аварийного завершения заряда. Для этого может быть использовано абсолютное значение температуры. Часто таким значением бывает 45─50 градусов Цельсия. В этом случае заряд должен быть прерван и возобновлён после остывания. Способность принимать заряд у Ni─MH аккумуляторов при такой температуре снижается.

Важно устанавливать ограничение по времени заряда. Его можно прикинуть по ёмкости батареи, величине тока зарядки и КПД процесса. Ограничение устанавливается на уровне расчётное время плюс 5─10 процентов. В этом случае, если не сработает ни один из предыдущих методом контроля, заряд отключится по установленному времени.

Этап дозарядки

На этой стадии ток зарядки устанавливается 0,1─0,3С. Длительность около 30 минут. Более длительная дозарядка не рекомендуется, поскольку это сокращает срок службы батареи. Этап дозарядки помогает выровнять заряд элементов в батарее. Лучше всего, если после быстрой зарядки, аккумуляторы остынут до комнатной температуры, а потом запустится дозарядка. Тогда аккумулятор восстановит полную ёмкость.

Зарядные устройства для Ni─Cd аккумуляторов часто после завершения процесса заряда переводят батареи в режим капельной зарядки. Для Ni─MH батарей это будет полезно только в случае подачи очень маленького тока (около 0,005С). Этого будет достаточно для компенсации саморазряда аккумулятора.

В идеале зарядка должна иметь функцию включения поддерживающей зарядки при падении напряжения на батарейке. Поддерживающая зарядка имеет смысл только в том случае, когда между зарядом батареек и их использованием проходит достаточно длительное время.

Сверхбыстрая зарядка Ni-MH аккумуляторов

И ещё стоит упомянуть о сверхбыстром заряде аккумуляторных батарей. Известно, что при заряде до 70 процентов своей ёмкости никель─металлогидридный аккумулятор имеет КПД зарядки близкий к 100 процентам. Поэтому на этом этапе имеет смысл увеличить ток для ускоренного его прохождения. Токи в таких случая ограничивают значением 10С. Основная проблема здесь в определении тех самых 70 процентов заряда, при которых следует понижать ток до обычной быстрой зарядки. Это сильно зависит от степени разряда, с которой началась зарядка батареи. Высокий ток легко может привести к перегреву аккумулятора и разрушению структуры его электродов. Поэтому использование сверхбыстрого заряда рекомендуется только при наличии соответствующих навыков и опыта.

Общие требования к зарядным устройствам для никель─металлогидридных аккумуляторов

Разбирать какие-то отдельные модели для заряда Ni─MH аккумуляторов в рамках этой статьи нецелесообразно. Достаточно отметить, что это могут быть узконаправленные ЗУ под зарядку никель─металлогидридных батарей. Они имеют зашитый алгоритм зарядки (или несколько) и по нему постоянно работают. А есть универсальные устройства, которые позволяют тонко настраивать параметры зарядки. К примеру, . Такие устройства могут быть использованы для заряда различных батарей. В том числе, и для , если есть адаптер питания соответствующей мощности.

Нужно сказать пару слов о том, какие характеристики и функционал должно иметь ЗУ для Ni─MH аккумуляторов. Устройство обязательно должно иметь возможность регулировки тока зарядки или его автоматическая установка в зависимости от типа батареек. Почему это важно?

Сейчас существует множество моделей никель─металлогидридных аккумуляторов, и многие батарейки одинакового форм-фактора могут отличаться ёмкостью. Соответственно, ток зарядки должен быть разный. Если заряжать током выше нормы, будет нагрев. Если ниже нормы, то процесс зарядки будет идти дольше положенного. В большинстве случаев токи на зарядных устройствах делаются в виде «пресетов» для типовых батареек. В целом же при заряде производители Ni-MH аккумуляторов не рекомендуют установку тока более 1,3─1,5 ампера для типа АА вне зависимости от ёмкости. Если вам по каким-то причинам требуется увеличение этого значения, то нужно позаботиться о принудительном охлаждении аккумуляторов.

Ещё одна проблема связана с отключением питания зарядного устройства в процессе зарядки. В этом случае при включении питания она начнётся снова со стадии определения аккумулятора. Момент окончания быстрой зарядки определяется не временем, а рядом других критериев. Поэтому если она прошла, то при включении будет пропущена. А вот этап дозарядки пройдёт снова, если он уже был. В результате аккумулятор получает нежелательный перезаряд и лишний нагрев. Среди прочих требований к ЗУ Ni-MH аккумуляторов – низкий разряд при отключении питания зарядного устройства. Ток разряда в обесточенном ЗУ не должен превышать 1 мА.

Стоит отметить и наличие в зарядном устройстве ещё одной важной функции. Оно должно распознавать первичные источники тока. Проще говоря, марганцево-цинковые и щелочные батарейки.

При установке и зарядке таких батареек в ЗУ они вполне могут взорваться, поскольку не имеют аварийного клапана для сброса давления. От зарядного устройства требуется, чтобы оно могло распознавать такие первичные источники тока и не включать зарядку.

Хотя здесь стоит отметить, что определение аккумуляторов и первичных источников тока, имеет ряд сложностей. Поэтому производители ЗУ не всегда оснащают свои модели подобными функциями.