Секреты правильного питания

На сегодняшний день распространены аккумуляторы пяти различных электрохимических схем никель-кадмиевые (Ni-Cd), никель-металлгидридные (Ni-MH), свинцово-кислотные (Sealed Lead Acid, SLA), литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Polymer). Определяющим фактором для всех перечисленных источников автономного 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.

Ni-Cd-аккумуляторы

Безусловно, это самый известный тип аккумуляторов на рынке электронной аппаратуры. Они нашли широкое применение с середины 50-х годов. Источники питания этого типа характеризуются энергетической плотностью около 40–60 Вт*ч/кг, обеспечивают порядка 1500 перезарядок, а их скорость саморазряда составляет не более 20% в месяц (причем до 10% разряда – в течение первых 24 часов и до 20% – в первый месяц после заряда). Несмотря на довольно высокий показатель тока утечки, они весьма дешевы и хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации (например, в профессиональных видеокамерах используются только эти аккумуляторы!) Основной их недостаток – это эффект памяти (memory effect), проявляющийся в уменьшении полезной ёмкости аккумулятора (см. врезку). Хранить эти источники питания лучше разряженными и перед каждой следующей зарядкой полностью разряжать их. Одно из наиболее важных достоинств – уверенная работа и малый саморазряд при низких температурах. Только эти аккумуляторы могут выдержать довольно длительное нахождение на морозе практически без потери полезных качеств.

Ni-MH-аккумуляторы

Появились они совсем недавно, и в связи с этим технология еще до конца не отработана. Они имеют более высокую энергетическую плотность (до 75 Вт*ч/кг) и соответственно более высокую ёмкость (примерно на 30%). С другой стороны, они дороже Ni-Cd-аккумуляторов примерно на 20% и у них меньший срок службы – всего 500 циклов заряд/разряд. Кроме того, для зарядки требуется специальное зарядное устройство, следящее за температурой и напряжением. Дело в том, что Ni-MH-аккумуляторы боятся перегрева, переохлаждения и "переполюсовки". К их недостаткам также можно отнести вдвое большее время зарядки по сравнению с Ni-Cd-аккумуляторами и большую скорость саморазряда (до30 % в месяц). Зато аккумуляторы этого типа совершенно безопасны для окружающей среды и относительно недороги. Кроме того, никель-металлгидридные аккумуляторы подвержены эффекту памяти в гораздо меньшей степени, чем Ni-Cd. Некоторые фирмы, например GP Batteries International Limited, заявляют, что их аккумуляторы вовсе свободны от этого неприятного эффекта.

Эффект памяти

Со временем рабочая ёмкость никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов уменьшается. Это так называемый эффект памяти, т.е. источник питания отдает только заряд, полученный в ходе последней подзарядки. Он развивается при многократном заряде недоразряженных батарей на основе никеля и сильнее всего проявляется в никель-кадмиевых аккумуляторах. Рабочее вещество нового аккумулятора имеет однородную структуру из микрочастиц и наибольшую площадь активной поверхности. По мере эксплуатации рабочее вещество постепенно изменяет свою структуру в сторону уменьшения площади активной поверхности и увеличения частиц рабочего вещества (см. рис.). Объясняется это следующим образом: в момент, с которого начинается зарядка аккумулятора, в сепараторе аккумулятора образуется химическое соединение, которое мешает дальнейшей, глубокой разрядке. В настоящее время эта проблема успешно решается путем оснащения зарядного устройства функцией Refresh, действие которой сводится к предварительному разряду батареи до некоторой минимально допустимой величины емкости и последующей зарядке. Таким образом, при использовании этой функции аккумулятор всякий раз заряжается практически "с нуля".

SLA-аккумуляторы

Это одни из самых дешевых аккумуляторов, характеризуются относительно невысокой энергетической плотностью – всего 30 Вт*ч/кг. Чаще всего их применяют там, где вес не является критичным параметром, а нужны большая мощность и низкая стоимость. Диапазон значений емкости для портативных приборов лежит в пределах от 1 до 30 А*час. Ранее этими аккумуляторами комплектовались некоторые модели видеокамер, но сейчас в современных мобильных устройствах они практически не применяются.

Li-Ion-аккумуляторы

Были изобретены еще в 1940 году, но промышленный выпуск начался лишь в 1991 г. Считаются одними из самых перспективных источников автономного питания, но при этом до сих пор остаются одними из самых дорогих. Они имеют высокую энергетическую плотность, порядка 100 Вт*ч/кг, и обеспечивают примерно 300–500 циклов заряд/разряд. Аккумуляторы имеют очень низкую скорость саморазряда (примерно 3–5% в первый месяц, затем уменьшение до 1–3% в месяц, дополнительно около 3% потребляет схема управления). Кроме того, при одинаковых габаритах литиевые работают втрое дольше, по сравнению с Ni-Cd-аккумуляторами, и у них абсолютно отсутствует эффект памяти. О недостатках: прежде всего – это высокая цена; эти батареи необходимо хранить в заряженном состоянии, и у них имеется эффект старения, даже если аккумулятор не используется. Он проявляется в том, что через год после изготовления ухудшается ёмкость, а через два года он иногда выходит из строя. Источники питания этого типа требуют использования исключительно "родных" зарядных устройств, а для обеспечения безопасности каждый пакет аккумуляторов должен быть оборудован электрической схемой управления, чтобы ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время зарядки и предотвратить критичное понижение напряжения элемента при разряде. Кроме того, должен быть ограничен максимальный ток заряда/разряда, и должна контролироваться температура элемента. Все эти проблемы с успехом решены, например, в аккумуляторах Sony InfoLITHIUM, которые имеют встроенный процессор, передающий камере достаточно точную информацию о заряде источника.

Li-Polymer-аккумуляторы

Структурная схема литий-полимерного аккумулятора Panasonic

Структурные схема полимерных аккумуляторов фирмы Sony

Структурная схема циллиндрических аккумуляторов фирмы Sony

Структурная схема призматических аккумуляторов фирмы Sony

Это одна из последних разработок в литиевой технологии. Потенциально они дешевле, чем Li-Ion-аккумуляторы, но на сегодняшний день все же остаются самыми дорогими источниками питания, несмотря на то, что уже запущено их массовое производство. Производят этот тип аккумуляторов лишь несколько крупных фирм. По конструкции они подобны своим предшественникам, но используют гелиевый электролит, поэтому могут иметь нетрадиционную форму. Эти источники обладают еще более высокой энергетической плотностью (до 160 Вт*ч/кг) и малым током разряда, причем нынешние образцы имеют очень большое количество циклов заряд/разряд – около 1000. И кроме всего прочего, эти аккумуляторы весьма компактны и легки.
   Полимерно-литиевые аккумуляторы состоят из секций или стеков. Каждая из секций содержит три электрода и сепаратор с полимером, который действует как электролит и как связывающее вещество. Отрицательный электрод расположен между двумя положительными и с помощью термального воздействия все компоненты объединяют в стек. Толщина одной секции около 0,6 мм. В зависимости от количества стеков можно получить аккумулятор той или иной ёмкости. Снаружи источник питания запечатывают в полимерно-алюминиевую пленку (см. рисунки). Принципиально ионо-литиевые и полимерно-литиевые аккумуляторы не различаются, но последние имеют одно важное преимущество. Так как их рабочим веществом является гель, состоящий из смеси полимера и электролита, то утечка жидкости становится просто невозможной.

   Итак, мы рассмотрели основные характеристики наиболее распространенных видов аккумуляторов. Все они обладают определенными достоинствами и недостатками. Появляются новые типы батарей, но в любом случае не стоит списывать со счета "старичков". Технологии их производства, конструкция и сервисные возможности продолжают совершенствоваться. Перед потребителем обычно не стоит проблема выбора конкретного типа аккумулятора, за него решает производитель, т.к. конкретная модель видеокамеры проектируется под определенный тип аккумулятора. А для "своих" видеокамер фирмы выпускают батареи с различной емкостью, но с одинаковыми присоединительными размерами. Причем, как правило, в комплекте к видеокамере идет малоемкий элемент питания, которого зачастую недостаточно даже для съемки одночасовой кассеты. Поэтому для уверенной работы в автономном режиме (в особенности при активной съемке с частым использованием трансфокатора, включением/выключением записи и т.д.) рекомендуем запастись аккумулятором как минимум вдвое большей емкости, чем комплектный, а лучше – парой таких батарей. Крупнейшие производители элементов питания, такие как Matsushita Battery Industrial Co., Soft Energy Co. (Sanyo Electric Co., Ltd.), Hitachi Maxell, Ltd. и Sony’s Energy Co., в будущем прогнозируют увеличение потребительского спроса на ионо-литиевые и полимерно-литиевые аккумуляторы. Что ж, рынок покажет…