Аккумуляторы для мобильных устройств и портативных приборов. Оценка состояния.
ВАСИЛЬЕВ Владимир Юрьевич
Не секрет, что безотказная работа мобильных устройств или приборов с резервным (или бесперебойным) питанием, напрямую зависит от состояния их аккумуляторов. В связи с этим корректное и своевременное определение реальных характеристик аккумуляторов во время эксплуатации приобретает особое значение.
В статье рассмотрены основные параметры аккумулятора, по которым можно оценить его состояние, а также методы и приборы, позволяющие такую оценку произвести.
При написании статьи использованы материалы, любезно предоставленные г-ном Isidor Buchmann, основателем и главой Канадской компании Cadex Electronics Inc.
Подробную статью о аккумуляторах можно прочитать на следующей странице : Аккумуляторы. История, технология,реальность.
Аккумулятор, как электрический прибор, характеризуется следующими основными параметрами: типом электрохимической системы, напряжением, электрической емкостью, внутренним сопротивлением, током саморазряда и сроком службы.
Причем, в зависимости от сферы применения на первый план выступают то одни параметры, то другие.
Например, аккумулятор для сотового телефона должен оцениваться по совокупности значений трех его основных характеристик: реальной емкости, внутреннего сопротивления и тока саморазряда, а аккумулятор домашнего радиотелефона достаточно оценить только по величине емкости и саморазряду.
При недооценке или игнорировании какого-либо параметра или преувеличении важности одного из них (как правило, емкости) можно оказаться в ситуации «у разбитого корыта».
Остановимся кратко на основных параметрах аккумулятора.
Электрохимическая система.
Для питания мобильных устройств и оборудования в настоящее время наиболее широко применяются аккумуляторы следующих типов: свинцово-кислотные (SLA), никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH) и литий-ионные (Li-ion).
Начинают появляться литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы.
Каждому из них свойственны определенные достоинства и недостатки.
Сравнительные характеристики аккумуляторов в зависимости от типа электрохимической системы приведены в [1].
Напряжение.
Напряжение аккумулятора определяется тем устройством, для питания которого он предназначен.
Если требуемое значение напряжения не обеспечивается одним элементом, то аккумулятор собирается из нескольких элементов, соединенных последовательно.
Номинальное напряжение одиночного элемента NiCd или NiMH аккумуляторов равно 1.2 В, SLA – 2 В, Li-ion – 3.6 В.
Электрическая емкость.
Номинальная электрическая емкость – это то количество энергии, которым аккумулятор теоретически должен обладать в заряженном состоянии.
Количество энергии определяется при разряде аккумулятора постоянным током в течение измеряемого промежутка времени до момента достижения заданного порогового напряжения.
Измеряется емкость в ампер-часах (А· час) или миллиампер-часах (мA· час).
Ее значение указывается на этикетке аккумулятора или зашифровано в обозначении его типа.
Реальное значение емкости нового аккумулятора на момент ввода его в эксплуатацию колеблется от 80 до 110% от номинального значения и зависит: от фирмы-изготовителя, условий и срока хранения и технологии ввода в эксплуатацию.
Теоретически аккумулятор, например, номинальной емкостью 1000 мА· час может отдавать ток 2000 мА в течение 30 минут, 1000 мA в течение одного часа, 100 мА в течение 10 часов, или 10 мA в течение 100 часов.
Практически же, при высоких значениях тока разряда номинальная емкость никогда не достигается, а при низких токах превышается.
В процессе эксплуатации емкость аккумулятора уменьшается.
Скорость уменьшения зависит от типа электрохимической системы, технологии обслуживания в процессе эксплуатации, используемых зарядных устройств, условий и срока эксплуатации.
Внутреннее сопротивление.
Внутреннее сопротивление аккумулятора (сопротивление источника тока) определяет его способность отдавать в нагрузку большой ток.
При низком значении внутреннего сопротивления, аккумулятор способен отдать в нагрузку больший пиковый ток (без существенного уменьшения напряжения на его выводах), а значит и большую пиковую мощность.
Зависимость между величинами тока нагрузки, напряжения на выводах аккумулятора и его внутренним сопротивлением определяется законом Ома.
Высокое значение сопротивления приводит к резкому уменьшению напряжения аккумулятора при резком увеличении тока нагрузки.
Такой коллапс (уменьшение) напряжения характеризует “слабость” внешне хорошего аккумулятора, потому что запасенная энергия не может быть полностью выдана в нагрузку.
Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от типа его электрохимической системы, емкости, числа элементов в аккумуляторе, соединенных последовательно, и возрастает к концу срока эксплуатации.
Саморазряд.
Явление саморазряда характерно в большей или меньшей степени для всех типов аккумуляторов и заключается в потере ими своей емкости после того, как они были полностью заряжены.
Для количественной оценки саморазряда удобно использовать величину потерянной ими за определенное время емкости, выраженную в процентах от значения, полученного сразу после заряда.
За промежуток времени, как правило, принимается интервал времени, равный одним суткам и одному месяцу.
Так, например, для исправных NiCd-аккумуляторов считается допустимым саморазряд до 10% в течение первых 24 часов после окончании заряда, для NiMH – немного больше, а для Li-ion пренебрежимо мал и оценивается за месяц.
Следует отметить, что саморазряд аккумуляторов максимален именно в первые 24 часа после заряда, а затем значительно уменьшается.
Саморазряд аккумуляторов зависит от качества использованных материалов, технологического процесса изготовления, типа и конструкции аккумулятора.
Он резко возрастает при повышении окружающей температуры, повреждении внутреннего сепаратора аккумулятора из-за неправильного обслуживания и вследствие процесса старения.
Срок службы (срок эксплуатации) аккумулятора.
Его принято оценивать по количеству циклов заряда/разряда, которое аккумулятор выдерживает в процессе эксплуатации без значительного ухудшения своих основных параметров: емкости, саморазряда и внутреннего сопротивления.
Срок службы зависит от многих факторов: методов заряда, глубины разряда, процедуры обслуживания или его отсутствия, температуры и электрохимической природы аккумулятора.
Кроме того, он определяется временем, прошедшим со дня изготовления, особенно для Li-ion-аккумуляторов.
Аккумулятор, как правило, считается вышедшим из строя после уменьшения его емкости до 60 – 80 % от номинального значения.
Оценка состояния аккумуляторов
Представим себе несколько различных ситуаций.
Ситуация 1.
Организация имеет в эксплуатации большой парк разнообразных мобильных устройств связи, от надежной работы которых зависит не только его успешная деятельность, но иногда и жизнь людей. Отказы средств связи в таких организациях – это катастрофические отказы.
Для их предупреждения необходим периодический контроль состояния всех используемых аккумуляторов с целью своевременного вывода из работы внешне исправных, а в действительности не обеспечивающих требуемой надежности аккумуляторов и замены их новыми.
Ситуация 2.
Необходимо оценить параметры аккумуляторов различных производителей и выбрать наилучший. Или произвести входной контроль закупленной партии аккумуляторов с целью проверки на соответствие условиям поставки.
Ситуация 3.
Разработка и изготовление новых видов аккумуляторов.
Что общего во всех трех вышеперечисленных ситуациях?
Безусловно – это необходимость достоверной и своевременной оценки состояния аккумуляторов путем проверки значений их основных параметров.
Каким же образом можно произвести анализ параметров аккумуляторов?
С помощью каких приборов? Что должен уметь делать такой прибор, и какими характеристиками обладать?
Для успешной организации системы обслуживания аккумуляторов необходимо обеспечить:
- быструю оценку состояние аккумулятора;
- быстрый заряд аккумулятора без его разрушения;
- отображение информации о степени заряда, емкости и внутреннем сопротивлении аккумулятора;
- упрощенную сигнализацию о результатах проверки аккумулятора для неподготовленного пользователя;
- одновременное обслуживание нескольких аккумуляторов различного типа;
- переход на режим автоматического восстановления аккумуляторов определенных электрохимических систем, в случае, если измеренная емкость меньше заданной пользователем;
- определение короткозамкнутых элементов в аккумуляторах;
- определение «мягких» элементов в аккумуляторе (ускоренного роста напряжения во время заряда);
- обслуживание аккумуляторов в различных режимах по выбору пользователя;
- стандартный интерфейс с компьютером и принтером;
- дежурный режим заряда аккумуляторов;
- защиту от несанкционированного доступа.
Очевидно, что с помощью обычных зарядных и разрядных устройств эти задачи решить невозможно и требуется использование специальных устройств.
Возможны два подхода: первый – это разработка и изготовление специализированных приборов, рассчитанных, как правило, на специфические требования, и второй применение универсальных приборов анализаторов аккумуляторов.
Естественно, что область применения последних значительно шире, поэтому на них и остановимся.
В таблице 1 приведены сравнительные характеристики наиболее распространенных типов анализаторов.
Здесь фото..
Таблица 1. Сравнительные характеристики некоторых распространенных анализаторов.
Рассмотрим подробнее некоторые основные характеристики и функциональные возможности вышеперечисленных анализаторов, оценим степень их важности и необходимости для потребителя.
Число одновременно обслуживаемых аккумуляторов.
Этот параметр, непосредственно влияет на скорость обслуживания аккумуляторов в случае, если требуется оценка состояния большой партии однотипных или разнотипных аккумуляторов.
Среднее время обслуживания.
Время обслуживания аккумуляторов зависит от многих факторов: от типа и параметров обслуживающей программы, от емкости аккумулятора, его состояния.
В таблице приведены средние значения.
Реальные значения могут отличаться от указанных в два раза, причем как в большую, так и в меньшую сторону.
Типы обслуживаемых аккумуляторов.
Анализатор должен обслуживать все, наиболее распространенные на данный момент разновидности аккумуляторов по электрохимической системе, а также иметь возможность модернизации для поддержки вновь появляющихся типов аккумуляторов.
Например, на данный момент новым типом являеются литий-полимерные аккумуляторы, которыми уже комплектуются сотовые телефоны и портативные компьютеры.
Индикация емкости аккумулятора.
Возможны два варианта отображения конечной (реальной) емкости аккумулятора – в миллиамперах (амперах) и в процентах от номинального значения.
Причем второй вариант более информативен, так как на многих типах аккумуляторов значение емкости бывает зашифровано в их обозначении и указание реальной емкости аккумулятора в мА· часах ничего не говорит пользователю о его состоянии, если ему неизвестно ее номинальное значение.
Аккумуляторный адаптер.
Самый удобный адаптер – это тот, с помощью которого можно подключить к анализатору любой аккумулятор с конструктивными одинаковыми присоединительными элементами, независимо от его электрохимической системы и емкости.
Подсоединение на проводах очень неудобно, так как у многих типов аккумуляторов контакты утоплены в корпус или “заподлицо” с ним.
Провода вносят также дополнительную погрешность при измерении внутреннего сопротивления аккумулятора.
Программирование пользователем.
Возможно двоякое толкование данного параметра.
Первое – широкое – задание параметров и программы обслуживания аккумулятора.
Например, задание типа электрохимической системы, номинальной емкости, токов заряда, разряда аккумулятора и программы его обслуживания: заряд, разряд, подготовка к эксплуатации, восстановление.
Второе толкование буквальное – программирование (создание) нетиповой программы обслуживания аккумулятора.
Сервисное управление.
Использование компьютера, подключенного к анализатору, обеспечивает:
- хранение базы данных по различным типам аккумуляторов от различных производителей;
- хранение отчетов и ведение базы данных по обслуженным аккумуляторам;
- построение графиков изменения текущих параметров аккумулятора в процессе обслуживания в реальном масштабе времени;
- автоматическую установку параметров обслуживающих программ по обозначению типа аккумулятора из базы данных;
- использование сканера штрих кода для ввода типа аккумулятора (оригинальные аккумуляторы от известных производителей снабжены этикеткой с нанесенным на нее штрих кодом, в котором закодирована полная информация об аккумуляторе);
- простое создание собственных программ обслуживания исходя из индивидуальных потребностей и опыта.
Сохранение данных при пропадании питания.
Функция, безусловно, нужная и удобная, позволяющая обеспечить непрерывность многочасовой проверки аккумуляторов при кратковременном пропадании питающего напряжения.
Сообщения об ошибках.
Информация об ошибках (причинах неисправности) проверяемого аккумулятора наряду с отображением его реальной емкости позволяет получить более полную картину о состоянии аккумулятора и спрогнозировать его дальнейшее поведение при дальнейшей эксплуатации, если таковая возможна.
Дисплей.
Необходимый минимум информации, одновременно отображаемой на дисплее, должен включать:
- тип электрохимической системы обслуживаемого аккумулятора;
- текущее напряжение на аккумуляторе;
- текущее значение тока;
- текущее значение внутреннего сопротивления;
- время, прошедшее с момента начала обслуживания аккумулятора;
- текущий режим работы.
Сервисные программы.
Наличие готовых сервисных программ для выполнения типовых операций по обслуживанию аккумуляторов и учитывающих особенности их конкретных типов очень облегчает и ускоряет процесс обслуживания.
Под готовой сервисной программой в данном случае понимается программа, в которой уже заложены все основные параметры и последовательность действий при обслуживании аккумулятора.
Пользователю остается только выбрать тип электрохимической системы, величину номинальной емкости аккумулятора и запустить программу на выполнение.
Метод заряда.
Как правило, каждый производитель анализаторов отмечает, что его метод наиболее лучший.
Существует много различных методов заряда NiCd- или NiMH-аккумуляторов, которые можно разделить на три основные группы: стандартный заряд – заряд постоянным током, равным 1/10 от величины номинальной емкости аккумулятора, в течение примерно 15 часов; быстрый заряд – заряд постоянным током, равным 1/3 от величины номинальной емкости аккумулятора в течение примерно 5 часов и ускоренный или дельта V заряд заряд с начальным током заряда, равным величине номинальной емкости аккумулятора, при котором постоянно измеряется напряжение на аккумуляторе и заряд заканчивается после того, как аккумулятор полностью заряжен.
Время заряда примерно 1 час. А далее каждый изготовитель начинает модифицировать эти методы.
В частности в анализаторах Cadex 7000 и CASP/2000L (H) используются короткие импульсы разряда между длинными зарядными импульсами.
Считается, что такой метод заряда восстанавливает кристаллическую структуру кадмиевых анодов, устраняя тем самым «эффект памяти».
Контрольное значение емкости.
Под этим значением понимается величина емкости, при которой аккумулятор считается годным для дальнейшей эксплуатации.
По умолчанию, оно равно 80 % от номинального значения емкости аккумулятора и может изменяться пользователем.
Это значение обычно используется в качестве контрольного при двух операциях: во время проведения входного контроля новых аккумуляторов и при оценке необходимости перехода к циклу восстановления при проверке NiCd- и NiMH-аккумуляторов.
Возможность установки этого значения пользователем имеет принципиальное значение для автоматизации процесса обслуживания аккумуляторов.
В каком направлении будут развиваться анализаторы аккумуляторов в ближайшем будущем?
Летом этого года фирма Cadex анонсировала новую, более дешевую модель анализатора аккумуляторов Cadex C7200 для независимого одновременного анализа двух аккумуляторов.
Новый анализатор примечателен тем, что в нем реализован режим комплексной оценки состояния аккумулятора в течение всего пяти минут.
Эту возможность обеспечивает заложенная в анализатор новая программа Quick Test, которая позволяет с высокой точностью определить емкость батареи за 5 минут.
Вместе с программой OhmTest, измеряющей внутреннее сопротивление аккумулятора за 5 секунд, это делает С7200 идеальным инструментом входного контроля при проверке больших партий аккумуляторов.
Литература.
1. Васильев Б.Ю., Петров Н.Н. Аккумуляторы. История, технология, реальность//Специальная техника № 6, 2000 г.