Исследования в области никель-металлгидридных батарей начались в 1970х годах как совершенствование никель-водородных батарей, поскольку вес и объем никель-водородных батарей не удовлетворял производителей (водород в этих батареях находился под высоким давлением, что требовало прочного и тяжелого стального корпуса). Использование водорода в виде гидридов металлов позволило снизить вес и объем батарей, также снизилась и опасность взрыва батареи при перегреве.
Начиная с 1980х была существенно улучшена технология производства NiMH батарей и началось коммерческое использование в различных областях. Успеху NiNH батарей способствовала увеличенная емкость (на 40% по сравнению с NiCd), использование материалов, годных к вторичной переработке («дружественность» природной среде), а также весьма длительных срок службы, часто превышающий показатели NiCd аккумуляторов.
Преимущества и недостатки NiMH аккумуляторов
Преимущества
・ бОльшая емкость - на 40% и более, чем обычные NiCd батареи
・ намного меньшая выраженность эффекта «памяти» по сравнению с никель-кадмиевыми аккумуляторами - циклы обслуживания батареи можно проводить в 2-3 раза реже
・ простая возможность транспортировки - авиакомпании перевозят без всяких предварительных условий
・ экологически безопасны - возможна переработка
Недостатки
・ ограниченное время жизни батареи - обычно около 500-700 циклов полного заряда/разряда (хотя в зависимости от режимов работы и внутреннего устройства могут быть различия в разы).
・ эффект памяти - NiMH батареи требуют периодической тренировки (цикла полного разряда/заряда аккумулятора)
・ Относительно малый срок хранения батарей - обычно не более 3х лет при хранении в разряженном состоянии, после чего теряются основные характеристики. Хранение в прохладных условиях при частичном заряде в 40-60% замедляют процесс старения батарей.
・ Высокий саморазряд батарей
・ Ограниченная мощностная емкость - при превышении допустимых нагрузок уменьшается время жизни батарей.
・ Требуется специальное зарядное устройство со стадийным алгоритмом заряда, поскольку при заряде выделяется большое количество тепла и никель-металлгидридные батареи прохо переносят перезаряд.
・ Плохая переносимость высоких температур (свыше 25-30 по Цельсию)
Конструкция NiMH аккумуляторов и АКБ
Современные никель-металлгидридные аккумуляторы имеют внутреннюю конструкцию, схожую с конструкцией никель-кадмиевых аккумуляторов. Положительный оксидно-никелевый электрод, щелочной электролит и расчетное давление водорода совпадают в обеих аккумуляторных системах. Различны только отрицательные электроды: у никель-кадмиевых аккумуляторов – кадмиевый электрод, у никель-металлгидридных – электрод на базе сплава поглощающих водород металлов.
В современных никель-металлгидридных аккумуляторах используется состав водородоадсорбирующего сплава вида AB2 и AB5. Другие сплавы вида AB или A2B не получили широкого распространения. Что же обозначают загадочные буквы A и B в составе сплава? – Под символом A скрывается металл (или смесь металлов), при образовании гидридов которых выделяется тепло. Соответственно, символ B обозначает металл, который реагирует с водородом эндотермически.
Для отрицательных электродов типа AB5 используется смесь редкоземельных элементов группы лантана (компонент А) и никель с примесями других металлов (кобальт, алюминий, марганец) – компонент B. Для электродов типа AB2 используются титан и никель с примесями циркония, ванадия, железа, марганца, хрома.
Никель-металлгидридные аккумуляторы с электродами типа AB5 имеют большее распространение из-за лучших показателей циклируемости, несмотря на то, что аккумуляторы с электродами типа AB2 более дешевы, имеют большую емкость и лучшие мощностные показатели.
В процессе циклирования происходит колебания объема отрицательного электрода до 15-25% от исходного за счет поглощения/выделения водорода. В результате колебаний объема возникает большое количество микротрещин в материале электрода. Это явление объясняет, почему для нового никель-металлгидридного аккумулятора необходимо произвести несколько «тренировочных» циклов заряда/разряда для приведения значений мощности и емкости аккумулятора к номинальным. Также у образования микротрещин есть и отрицательная сторона – увеличивается площадь поверхности электрода, которая подвергается коррозии с расходованием электролита, что приводит к постепенному увеличению внутреннего сопротивления элемента и снижению емкости. Для уменьшения скорости коррозийных процессов рекомендуется хранить никель-металлгидридные аккумуляторы в заряженном состоянии.
Отрицательный электрод имеет избыточную емкость по отношению к положительному как по перезаряду, так и по переразряду для обеспечения приемлемого уровня выделения водорода. Из-за коррозии сплава постепенно уменьшается емкость по перезаряду отрицательного электрода. Как только избыточная емкость по перезаряду исчерпается, на отрицательном электроде в конце заряда начнет выделяться большое количество водорода, что приведет к стравливанию избыточного количества водорода через клапаны элемента, «выкипанию» электролита и выходу аккумулятора из строя. Поэтому для заряда никель-металлгидридных аккумуляторов необходимо специальное зарядное усройство, учитывающее специфику поведения аккумулятора для избегания опасности саморазрушения аккумуляторного элемента. При сборе батареи аккумуляторов необходимо предусмотреть хорошую вентиляцию элементов и не курить рядом с заряжающейся никель-металлгидридной батареей большой емкости.
Со временем в результате циклирования возрастает и саморазряд аккумулятора за счет появления больших пор в материале сепаратора и образовании электрического соединения между пластинами электродов. Эта проблема может быть временно решена путем нескольких циклов глубокого разряда аккумулятора с последующим полным зарядом.
При заряде никель-металлгидридных аккумуляторов выделяется достаточно большое количество тепла, особенно в конце заряда, что является одним из признаков необходимости завершения заряда. При собирании нескольких аккумуляторных элементов в батарею необходима система контроля параметров батареи (BMS), а также наличие терморазмыкающихся токопроводящих соединительных перемычек между частью аккумуляторных элементов. Также желательно соединять аккумуляторы в батарее путем точечной сварки перемычек, а не пайки.
Разряд никель-металлгидридных аккумуляторов при низких температурах лимитируется тем фактом, что эта реакция эндотермическая и на отрицательном электроде образуется вода, разбавляющая электролит, что приводит к высокой вероятности замерзания электролита. Поэтому, чем меньше температура окружающей среды, тем меньше отдаваемая мощность и емкость аккумулятора. Напротив, при повышенной температуре в процессе разряда разрядная емкость никель-металлгидридного аккумулятора будет максимальной.
Знание конструкции и принципов работы позволит с большим пониманием отнестись к процессу эксплуатации никель-металлгидридных аккумуляторов. Надеюсь, информация, почерпнутая в статье, позволит продлить жизнь вашей аккумуляторной батареи и избежать возможных опасных последствий из-за недопонимания принципов безопасного использования никель-металлгидридных аккумуляторов.
Разрядные характеристики NiMH-аккумуляторов при различных
токах разряда при температуре окружающей среды 20 °С
изображение взято с www.compress.ru/Article.aspx?id=16846&iid=781
Никель-металлгидридная батарейка Duracell
изображение взято с www.3dnews.ru/digital/1battery/index8.htm
P.P.S.
Схема перспективного направления создания биполярных аккумуляторных батарей
схема взятя с Биполярные свинцово-кислотные батареи
Сравнительная таблица параметров различных типов аккумуляторов
| NiCd | NiMH | Lead Acid | Li-ion | Li-ion polymer | Reusable Alkaline |
|
|---|---|---|---|---|---|---|
| Энергетическая плотность (W*час/кг) | 45-80 | 60-120 | 30-50 | 110-160 | 100-130 | 80 (начальная) |
| Внутреннее сопротивление (включая внутренние схемы), мОм |
100-200 при 6В |
200-300 при 6В |
<100 при 12В |
150-250 при 7.2В |
200-300 при 7.2В |
200-2000 при 6В |
| Число циклов заряда/разряда (при снижении до 80% от начальной емкости) | 1500 | 300-500 | 200-300 | 500-1000 | 300-500 | 50 (до 50%) |
| Время быстрого заряда | 1 час типовое | 2-4 часа | 8-16 часа | 2-4 часа | 2-4 часа | 2-3 часа |
| Устойчивость к перезаряду | средняя | низкая | высокая | очень низкая | низкая | средняя |
| Саморазряд / месяц (при комнатной температуре) | 20% | 30% | 5% | 10% | ~10% | 0.3% |
| Напряжение элемента (номинальное) | 1.25В | 1.25В | 2В | 3.6В | 3.6В | 1.5В |
| Ток нагрузки - пиковый - оптимальный |
20C 1C |
5C 0.5C и ниже |
5C 0.2C |
>2C 1C и ниже |
>2C 1C и ниже |
0.5C 0.2C и ниже |
| Температура при эксплуатации (только разряд) | -40 to 60°C |
-20 to 60°C |
-20 to 60°C |
-20 to 60°C |
0 to 60°C |
0 to 65°C |
| Требования к обслуживанию | Через 30 – 60 дней | Через 60 – 90 дней | Через 3 – 6 месяцев | Не требуется | Не требуется | Не требуется |
| Типовая цена (US$, только для сравнения) |
$50 (7.2В) |
$60 (7.2В) |
$25 (6В) |
$100 (7.2В) |
$100 (7.2В) |
$5 (9В) |
| Цена на цикл (US$) | $0.04 | $0.12 | $0.10 | $0.14 | $0.29 | $0.10-0.50 |
| Начало коммерческого использования | 1950 | 1990 | 1970 | 1991 | 1999 | 1992 |
таблица взята с
Сфера применения электрических аккумуляторов довольно-таки широка. Небольшими батареями комплектуются привычные для всех бытовые приборы, АКБ слегка больших размеров оснащаются автомобили, ну а уж очень крупные и ёмкостные аккумуляторы монтируют в нагруженные работой промышленные станции. Казалось бы, что помимо пользовательского назначения у разных видов АКБ может быть общего? Однако на самом деле сходств у подобных батарей более чем достаточно. Пожалуй, одним из основных среди возможных сходств аккумуляторов является принцип организации их работы. В сегодняшнем материале наш ресурс решил рассмотреть именно один из таковых. Если быть точнее, то ниже речь пойдет о функционировании и правилах эксплуатации никель-металлогидридных батарей.
История появления никель-металлогидридных АКБ
Создание никель-металлогидридных аккумуляторов начало вызывать немалый интерес у представителей инженерии более 60 лет назад, то есть в 50-х годах 20 века. Ученые, специализирующиеся на изучение физико-химических свойств АКБ, всерьёз задумались над тем, как преодолеть недостатки популярных на то время никель-кадмиевых батарей. Пожалуй, одной из основных целей ученых было создание такого аккумулятора, который мог бы ускорить и упростить процесс протекания всех реакций, связанных с электролитической передачей водорода.
В итоге, специалистам лишь к концу 70-х годов удалось сначала спроектировать, а затем создать и полноценно испытать более-менее качественные никель-металлогидридные батареи. Главное отличие нового типа АКБ от предшественников заключалось в том, что он имел строго определённые места для скопления основной массы водорода. Говоря точнее, скопление вещества происходило в сплавах нескольких металлов, находящихся на электродах аккумулятора. Состав сплавов имел такую структуру, что один или несколько металлов накапливали водород (иногда в несколько тысяч раз превышающих их объём), а другие металлы выступали в роли катализаторов электролитических реакций, обеспечивая переход водородного вещества в металлическую решётку электродов.
Сделанный аккумулятор, имеющий водородно-металлогидридный анод и никелевый катод, получил аббревиатуру «Ni-MH» (от названия токопроводящих, накапливающих веществ). Работают подобные АКБ на щелочном электролите и обеспечивают отличный цикл «заряд-разряд» — до 2 000 тысяч для одной полноценной батареи. Несмотря на это, путь к проектировке аккумуляторов Ni-MH был нелёгок, а существующие на данный момент образцы до сих пор модернизируются. Основной вектор модернизации направлен на увеличение энергетической плотности батарей.
Отметим, что сегодня никель-металлогидридные АКБ в большинстве своём производятся на основе сплава металлов «LaNi5». Первый образец подобных аккумуляторов был запатентован в 1975 году и стал активно использоваться в широкой промышленности. Современные никель-металлогидридные батареи имеют высокую энергетическую плотность и состоят из совершенно нетоксичного сырья, что упрощает их утилизацию. Пожалуй, именно из-за данных преимуществ они стали очень популярны во многих сферах, где требуется долгое хранение электрического заряда.
Устройство и принцип работы никель-металлогидридной батареи
Никель-металлогидридные аккумуляторы всех размерностей, ёмкостей и предназначений выпускают в двух основных типах форм – призматической и цилиндрической. Вне зависимости от формы, подобные АКБ состоят из следующих обязательных элементов:
- металлогидридных и никелевых электродов (катодов и анодов), образующих гальванический элемент сеточной структуры, который отвечает за движение и накопление электрического заряда;
- сепараторных областей, разделяющих электроды и также участвующих в процессе электролитических реакций;
- выводных контактов, отдающих во внешнюю среду накопленный заряд;
- крышки с вмонтированным в неё клапаном, необходимой для сброса излишнего давления из полостей аккумулятора (давления свыше 2-4 мегапаскаль);
- термозащитного и крепкого корпуса, вмещающего описанные выше элементы батареи.
Конструкция никель-металлогидридных аккумуляторов, как и многих других типов данного устройства, довольно-таки проста и особых сложностей в рассмотрении не представляет. Наглядно это показано на следующих конструктивных схемах АКБ:
Принципы работы рассматриваемых АКБ, в отличие от их общей конструктивной схемы, выглядят слегка сложнее. Для понимания их сути давайте обратим внимание на поэтапное функционирование никель-металлогидридных аккумуляторов. В типовом варианте этапы работы у данных батарей следующие:
- Положительный электрод – анод, осуществляет окислительную реакцию с абсорбцией водорода;
- Отрицательный электрод – катод, реализует восстановительную реакцию в дисабсорбицией водорода.
Говоря простым языком, электродная сетка организует упорядоченное движение частиц (электродов и ионов) посредством конкретных химических реакций. При этом непосредственно электролит в основной реакции выделения электричества не участвует, а включается в работу лишь при определённых обстоятельствах функционирования аккумуляторов Ni-MH (например, при перезарядке, реализуя реакцию циркуляции кислорода). Более подробно рассматривать принципы работы никель-металлогидридных АКБ не будем, так как для этого требуются специальные химические знания, которых у многих читателей нашего ресурса нет. При желании узнать о принципах работы батарей в больших подробностях стоит обратиться к технической литературе, которая максимально подробно освещает течение каждой реакции на концах электродах как при заряде батарей, так и при их разряде.
Характеристики стандартного АКБ Ni-MH можно увидеть в следующей таблице (столбец посередине):
Правила эксплуатации
Любой аккумулятор – относительно неприхотливое в обслуживании и эксплуатации устройство. Несмотря на это, его стоимость зачастую высока, поэтому каждый владелец той или иной батареи заинтересован в увеличении её срока службы. Относительно АКБ формации «Ni-MH» продлить эксплуатационный период не столь сложно. Для этого достаточно:
- Во-первых, соблюдать правила зарядки аккумулятора;
- Во-вторых, правильно его эксплуатировать и хранить при простое.
О первом аспекте обслуживания АКБ поговорим чуть позже, ну а сейчас обратим внимание на основной перечень правил эксплуатации никель-металлогидридных батарей. Шаблонный список данных правил таков:
- Хранение никель-металлогидридных аккумуляторов должно осуществляться только в их заряженном состоянии на уровне 30-50 %;
- Строго запрещается перегревать АКБ Ni-MH, так как по сравнению с теми же никель-кадмиевыми батареями, рассматриваемые нами намного чувствительней к нагреву. Перегруженность работой отрицательно сказывается на всех процессах, протекающих в полостях и на выходах аккумулятора. Особенно страдает токоотдача;
- Никогда не перезаряжайте никель-металлогидридные батареи. Всегда придерживайтесь правил зарядки, описанных в настоящей статье или отражённых в технической документации к аккумулятору;
- В процессе слабой эксплуатации или длительном хранении «тренируйте» АКБ. Зачастую хватает периодически проводимого цикла «заряд-разряд» (порядка 3-6 раз). Также подобной «тренировке» желательно подвергать новые батареи Ni-MH;
- Хранить аккумуляторы никель-металлогидридной формации требуется в комнатном температурном режиме. Оптимальная температура – 15-23 градусов по Цельсию;
- Старайтесь не разряжать аккумулятор до минимальных пределов – напряжение, меньшее 0,9 Вольт для каждой пары «катод-анод». Восстановлению никель-металлогидридные АКБ, конечно, поддаются, но желательно их не доводить до «мёртвого» состояния (о том, как восстановить батарею, также поговорим ниже);
- Следите за конструктивным качеством батареи. Не допускается наличие серьёзных дефектов, недостаток электролита и тому подобные вещи. Рекомендуемая периодичность проверки АКБ равняется 2-4 неделям;
- В случае с использованием больших, стационарных батарей также важно придерживаться правил:
- их текущего ремонта (не менее раза в год):
- капитального восстановления (не менее раза в 3 года);
- надёжного крепления АКБ в месте использования;
- наличия освещения;
- использования правильных зарядных устройств;
- и соблюдения техники безопасности использования подобных аккумуляторов.
Придерживаться описанных правил важно не только потому, что подобный подход к эксплуатации никель-металлогидридных АКБ существенно продлить их срок службы. Также они гарантируют безопасное и, в целом, беспроблемное, использование батареи.
Правила зарядки
Раннее было отмечено, что правила эксплуатации – это далеко не единственное, что требуется для достижения максимального эксплуатационного срока никель-металлогидридных АКБ. Помимо грамотного использования, подобные батареи крайне важно грамотно заряжать. Вообще, ответить на вопрос – «Как правильно заряжать аккумулятор Ni-MH?», довольно-таки сложно. Дело в том, что каждый тип сплавов, используемый на электродах батареи, требует определённых правил данного процесса.
Обобщив и усреднив их, можно выделить следующие фундаментальные основы зарядки никель-металлогидридных аккумуляторов:
- Во-первых, требуется соблюдать правильное время зарядки. Для большинства АКБ Ni-MH оно составляет либо 15 часов при зарядном токе около 0,1 С, либо 1-5 часов при зарядном токе в пределах 0,1-1 С для батарей с высокоактивными электродами. Исключениями являются восстанавливаемые аккумуляторы, которые могут заряжаться более 30 часов;
- Во-вторых, важно отслеживать температуру батареи в процессе зарядки. Многие производители не рекомендуют превышать температурный максимум в 50-60 градусов по Цельсию;
- И в-третьих, следует учитывать непосредственно порядок проведения зарядки. Оптимальным считается такой подход, когда АКБ разряжается номинальным током до напряжения на выходах в 0,9-1 Вольт, после чего заряжается на 75-80 % от своей максимальной ёмкости. При этом важно учитывать, что при быстрой зарядке (подаваемый ток более 0,1) важно организовать предзарядку с подачей высокого тока на аккумулятор около 8-10 минут. После этого процесс зарядки стоит организовать с плавным повышением подаваемого на АКБ напряжения до 1,6-1,8 Вольт. К слову, при обычной подзарядке никель-металлогидридного аккумулятора напряжение зачастую не изменяется и в норме составляет 0,3-1 Вольт.
Примечание! Отмеченные выше правила зарядки батарей носят усреднённый характер. Не забывайте, что для конкретной марки никель-металлогидридной АКБ они могут слегка отличаться.
Восстановление аккумулятора
Наряду с дороговизной и быстрым саморазрядом, у аккумуляторов Ni-MH есть ещё один недостаток – ярко выраженный «эффект памяти». Его суть заключается в том, что при систематичной зарядке не полностью разряженной батареи она как бы запоминает это и с течением времени существенно теряет в своей ёмкости. Для нейтрализации подобных рисков владельцам подобных АКБ требуется заряжать максимально разряженные батареи, а также периодически «тренировать» их путём процесса восстановления.
Восстанавливать никель-металлогидридные аккумуляторы при «тренировке» или при их сильном разряде необходимо следующим образом:
- В первую очередь, необходимо подготовиться. Для восстановления потребуются:
- качественный и, желательно, умный зарядный прибор;
- инструменты для замера напряжения и сила тока;
- любое устройство, способное потреблять энергию с АКБ.
- После подготовки можно уже задаться вопросом по поводу того, как восстановить батарею. Сначала необходимо по всем правилам зарядить аккумулятор, а затем его разрядить по напряжения на выходах батареи в 0,8-1 Вольт;
- Затем начинается непосредственно восстановление, которое, опять же, должно проводится в соответствии со всеми правилами зарядки никель-металлогидридных аккумуляторов. Стандартный процесс восстановления может быть проведён двумя способами:
- Первый – если АКБ подаёт признаки «жизни» (как правило, при разряде на уровне 0,8-1 Вольт). Зарядка проходит с постоянным увеличением подаваемого напряжение с 0,3 до 1 Вольта с силой тока 0,1 С в течение 30-60 минут, после чего вольтаж остаётся неизменным, а сила тока увеличивается до 0,3-0,5 С;
- Второй – если АКБ не подаёт признаков «жизни» (при разряде менее 0,8 Вольт). В таком случае зарядка осуществляется с 10-минутной пред-зарядкой высоким током на протяжении 10-15 минут. После этого проводятся описанные выше действия.
Стоит понимать, что восстановление никель-металлогидридных АКБ – это процедура, которую требуется периодически проводить для абсолютно всех аккумуляторов (и «живых», и «неживых»). Только такой подход к эксплуатации данного типа батарей поможет «выжать» из них максимум.
Пожалуй, на этом повествование по сегодняшней теме можно завершать. Надеемся, представленный выше материал был для вас полезен и дал ответы на интересующие вопросы.
Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них
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 | |
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 |
|
|
| Ni-Mh |
|
|
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.
Правильный уход и эксплуатация быстрозарядных
никель-металлгидридных аккумуляторов для моделизма
Качество никель-металл-гидридных аккумуляторов типоразмера Sub С (L 43 мм 0 23 мм) (далее - Ni-MH аккумуляторов), применяемых в моделизме, постоянно возрастает. Низкое внутреннее сопротивление делает возможным увеличение тока разряда аккумуляторов. Длительный опыт эксплуатации Ni-MH аккумуляторов нашими пилотами на различных соревнованиях привел нас к оптимизации опыта, накопленного в лабораторных исследованиях и на соревнованиях. На сегодняшний день ведущими производителями интересующих нас аккумуляторов являются фирмы SANYO и GP.
Типовая емкость лучших Ni-MH аккумуляторов, продаваемых этими фирмами, лежит в пределах 3700 mAh, это указано на этикетках, однако фирмы, занимающиеся селекцией аккумуляторов, находят аккумуляторы, имеющие емкость до 3800 mAh!
Хранение
Хранить Ni-MH аккумуляторы допускается только полностью заряженными. Никогда не храните Ваши NiMH аккумуляторы разряженными длительное время (5 дней и более). Такое длительное хранение в разряженном виде увеличивает внутреннее сопротивление и. соответственно, уменьшает емкость аккумуляторов.
Уравнительный разряд
Аккумуляторы, и особенно новые Ni-MH аккумуляторы, необходимо по возможности чаще подвергать уравнительному разряду. Уравнительный, или балансировочный, разряд дает возможность уменьшить так называемый производственный разброс Ni-MH аккумуляторов. Производственный разброс Ni-MH аккумуляторов означает изготовление одним производителем одних и тех же аккумуляторов, с небольшим (±2-5%) разбросом в электрических параметрах аккумуляторов (емкость, внутреннее сопротивление, напряжение разряда). Этот разброс является допустимым для производства, однако нежелателен и даже смертельно вреден для Ni-MH аккумуляторов при длительной эксплуатации, так как при покупке "россыпью", к примеру, блока из шести Ni-MH аккумуляторов для авиамодели, мы покупаем не абсолютно одинаковые по емкости "банки", а сталкиваемся с этим вот технологическим разбросом, при котором "Ni-MH аккумуляторы емкостью 3000 mAh. по данным на этикетках, имеют на самом деле реальную емкость от 3300 до 3000 mAh в одном блоке. Это как повезет! Обычно разброс составляет 100-150 mAh. И вот при заряде такого блока большим током (4-6 ампер, что является обычным и как рекомендуют производители аккумуляторов) с помощью автоматического зарядного устройства "банки" с меньшей емкостью немного перезаряжаются, а те, что имеют большую емкость - немного недозаряжаются.
При разряде происходит обратный процесс - "банки" с меньшей емкостью немного переразряжаются, а те, что имеют большую емкость, - немного недоразряжаются.
От разряда к разряду эта разница становится все заметнее, и обычно после 35-40 циклов заряд-разряд происходит заметное уменьшение емкости и напряжения блока аккумуляторов по причине перезаряда и переразряда самого "малоемкого" аккумулятора в блоке.
Уравнительный разряд не исключает вышеописанный эффект, однако позволяет продлить срок нормальной эксплуатации аккумуляторов примерно до 50-70 циклов до начала проявления этого эффекта.
В чем суть уравнительного разряда: необходимо разрядить заряженные аккумуляторы, каждую "банку" отдельно, своим разрядным резистором номиналом от 2 до 5 Ом и мощностью 0,25-0,5 Вт, в течение 15-24 часов. Номинал всех используемых сопротивлений для всех резисторов должен быть одинаковым. Разряд происходит почти до нулевого напряжения на аккумуляторах, однако не стоит беспокоиться, поскольку этот режим вполне допустим для Ni-MH аккумуляторов, вопреки распространенному мнению. Разряженные таким образом аккумуляторы имеют одинаковую остаточную емкость.
Если Вы не имеете возможности сделать уравнительный разряд, существует другой метод продления жизни Ваших источников тока. Это так называемый уравнительный заряд.
Суть метода: разряженные обычными способами аккумуляторы заряжают при помощи обычного "ночного" зарядного устройства или иным, без автоматической отсечки заряда, током, равным 1/10 емкости аккумуляторов. Пример: при емкости аккумуляторов 3000 mAh ток заряда составляет 300 тА. Время заряда составляет 16-22 часа. При этом все ""банки" блока набирают свою максимальную емкость, и самое главное, что при таком небольшом токе заряда аккумуляторы не перезаряжаются, так как для них это приемлемый режим. Через 12-14 часов заряда аккумуляторы немного нагреваются, однако это нормально. Заряженные таким образом аккумуляторы набирают максимальную существующую емкость. В таком состоянии их можно оставить на хранение.
Есть и третий путь - использование аккумуляторов, отобранных (селектированных) фирмами.
В чем суть селекции? Фирма закупает у производителя большое количество аккумуляторов россыпью, после чего каждый аккумулятор заряжается и разряжается в специальных многоканальных зарядных устройствах, подключенных к компьютеру для считывания электрических параметров заряда-разряда.
Компьютер фиксирует:
- Ток заряда (обычно он равен 4-6 ампер).
- Время заряда, ток разряда (обычно его величина 20 или 30 ампер).
- Время разряда до напряжения 1, 0,9, 0,85 или 0.75 В. Напряжение зависит от тока разряда, используемого фирмой в процессе селекции и типа аккумулятора.
Высчитывается емкость аккумулятора при достижении соответствующих напряжений разряда. Определяется среднее напряжение разряда. Швейцарская фирма ORION сообщает нам еще и величину отданной энергии в джоулях. Полученные данные распечатываются на маленькие этикетки, которые клеятся на свой аккумулятор. Компьютер отбирает аккумуляторы по их параметрам в блоки по заданному количеству "банок" в блоке. Основной критерий селекции - емкость и среднее напряжение разряда.
Последние несколько лет все уважающие себя фирмы применяют в дополнение к селекции разработанный в 1995 г. фирмой GM RACING так блок Ni-MH аккумуляторов 6 штук - 7,2 V называемый VIS-процесс (Voltage Increasing System) - система повышения напряжения. В чем суть этого процесса? Новый аккумулятор зажимают между двумя мощными контактами и прошивают одним импульсным разрядом, имеющим напряжение 60-80 вольт и ток в сотни ампер. После такого шокового электрического удара немного уменьшается (на 3-5%) внутреннее сопротивление аккумулятора и соответственно на столько же возрастает напряжение разряда и емкость. После чего проходит обычная процедура селекции. На срок жизни аккумулятора этот процесс практически не влияет, однако этих трех-пяти процентов бывает достаточно для получения преимущества в гонке.
К сожалению,VIS-обработка работает до 5 первых циклов, после чего сходит на нет и ее необходимо повторять. Для рядовых моделистов это, как правило, невозможно, однако для особо упорных в продаже есть индивидуальные VIS-устройства стоимостью S 350-400. Обычно фирмы разделяют отобранные в процессе селекции блоки аккумуляторов на три категории, отличающиеся по емкости и напряжению. Их обычные торговые названия: самая базовая – SPORT, RACING, CLUB, затем - TEAM и лучшая - FACTORY TEAM, WORLD TEAM или CHAMPION. Названия придумывают фирмы. Нужно отдать должное фирмам-"селекционерам": к примеру, для отбора одного блока из шести штук аккумуляторов самой простой селекции необходимо "перелопатить" около 1000 (!!!) аккумуляторов!
"Банки", не прошедшие отбор, собирают в блоки для неответственного применения (любители, начинающие, стартовое оборудование, тестовые и прикаточные блоки). Цена селектированных аккумуляторов может отличаться о г "россыпи" в два-три раза, однако здесь есть за что платить больше.
Обычно хорошо отобранные аккумуляторы изнашиваются в блоке практически равномерно. Это, однако, не исключает необходимость уравнительных разрядов, но делать это можно через 10-12 циклов. И в завершение темы селекции хочется отметить, что для своих фирменных гонщиков, задача которых - победа на соревнованиях именно на данных аккумуляторах данной фирмы (реклама - двигатель торговли), отбираются лучшие блоки из лучшей селекции, а там, поверьте, еще есть разница в блоках. То же самое касается и электродвигателей и резины, но это уже другая тема.
Условия заряда
За один - два дня до соревнований аккумуляторы необходимо по возможности разрядить током 5-10 ампер. В крайнем случае, сделайте уравнительный разряд. В таком состоянии их можно брать с собой на соревнования. По возможности заряжайте ваш аккумулятор непосредственно перед использованием. Оптимальная температура аккумулятора перед использованием - 40°-50°С. Ni-MH аккумуляторы имеют высокий саморазряд и теряют 2-5% заряженной емкости за несколько часов хранения. Помните, что внутреннее сопротивление аккумуляторов растет при их остывании. Использовать аккумуляторы желательно один раз в день, это идеальные условия их эксплуатации. Однако такую возможность имеют не многие, поэтому желательно использовать аккумуляторы хотя бы с 3-4-часовым перерывом.
В любом случае Вы должны знать, что первый за день цикл - самый лучший и по отдаче тока, и по величине напряжения. Как говорится: если Вас интересует результат.
Мы рекомендуем заряжать неселектированные (купленные "россыпью") аккумуляторы током, равным емкости. Пример: при емкости аккумулятора 3000 мАп ток заряда 3 ампера. Селектированные аккумуляторы могут заряжаться током в 1.5-2 раза больше емкости аккумулятора. Пример: при емкости аккумулятора 3000 мАп ток заряда 4,5-6 А. Температура заряжаемых аккумуляторов никогда не должна превышать 60°. при температуре от 45° и выше резко сокращается срок жизни аккумулятора.
Никогда не начинайте процесс заряда, если аккумулятор еще горячий или теплый!
Очень важно применять при заряде Ваших аккумуляторов большими токами (3-6 А) автоматические зарядные устройства, которые прекращают процесс заряда аккумуляторов, используя так называемый дельта-пик-эффект (Delta Peack). В чем суть этого метода? Ni-MH и Ni-Cd аккумуляторы необходимо заряжать только стабильным током, одинаковым по своей величине, на протяжении всего заряда. При этом, по мере заряда, напряжение на аккумуляторах будет расти. Когда процесс заряда подходит к концу, химическая реакция восстановления, проходящая внутри аккумуляторов, будет проходить с постоянным увеличением выхода газов, образуемых в процессе хим. реакции заряда. Одновременно увеличивается и внутреннее сопротивление в аккумуляторах. А поскольку ток заряда неизменен, а сопротивление возрастает, то напряжение аккумулятора, следуя закону Ома начинает уменьшаться. Вот этот самый момент уменьшения напряжения и называют дельта-пик, и зарядные устройства отключают заряд, отследив своим пик-детектором именно падение напряжения на аккумуляторах.
Эта величина очень незначительная - 8-12 милливольт для NiMH аккумулятора и 15-25 милливольт для Ni-Cd аккумулятора. Бывают случаи (особенно при заряде на дешевых зарядных устройствах), когда пик-детектор срабатывает и прекращает заряд уже через 1-2 минуты после начала заряда. Это объясняется специфическим эффектом, возникающим при заряде большим током, полностью разряженных аккумуляторов. При этом в начале заряда напряжение на аккумуляторах падает, а не растет! Это происходит первые 1-4 минуты и наблюдается у аккумуляторов, применявшихся уже большое количество циклов. Вам нужно только лерестартовать Bаше зарядное устройство.
Силовые Ni-MH аккумуляторы можно разряжать током от 6 до 13 раз большим, чем емкость аккумулятора. Пример: при емкости аккумулятора 3000 мАп ток разряда может быть 18-40 А. Помните: чем большим током Вы разряжаете аккумулятор, тем сильнее сокращаете срок его жизни. В любом случае Вы должны знать, что первые незначительные признаки ухудшения разрядных характеристик аккумуляторов (уменьшение напряжения при разряде, "вялый" разгон модели) наступают уже к 20-му циклу заряд-разряд. Для тех режимов эксплуатации, которые необходимы в моделизме, это неизбежно. Однако эта информация касается скорее профессионалов или тех, кто одержим идеей победы. Для остальных же эти изменения будут незаметны, поверьте!
Силовые аккумуляторы можно безбоязненно паять. Мощность паяльника должна быть не менее 50 Вт. Естественно, не грейте на них паяльники, но медные перемычки можно смело паять.
Кстати: при использовании на модели силовых проводов сечением 2,5-4 мм" было бы неразумным применение в качестве перемычек полоски меди с большим сечением. Однако применяемые в моделизме перемычки производства ведущих фирм имеют сечение 6-10 мм. Видимо, это делается для увеличения конструкционной прочности блока спаиваемых аккумуляторов. Для пайки применяйте паяльную кислоту, так как канифоль не дает необходимого качества и скорости (лишнее время нагрева) пайки. Естественно, после пайки кислотой места пайки необходимо промыть каким-нибудь растворителем или хотя бы хорошенько протереть.
Использованные материалы: инструкция в каталоге GM RACING, материалы журнала КС CAR ACTION, инструкции к аккумуляторам фирм KEIL, ORION, TRINITY.
