1. Никель- кадмиевые аккумуляторы.

Никель-ка́дмиевый аккумуля́тор (NiCd) - вторичный химический источник тока, электрохимическая система которого устроена следующим образом: анодом является металлический кадмий Cd (в виде порошка), электролитом - гидроксид калия KOH с добавкой гидроксида лития LiOH (для образования никелатов лития и увеличения ёмкости на 21-25 %), катод - гидрат окиси никеля NiOOH с графитовым порошком (около 5-8 %). ЭДС никель-кадмиевого аккумулятора около 1,45 В, удельная энергия около 45-65 Вт·ч/кг. В зависимости от конструкции, режима работы (длительные или короткие разряды), и чистоты применяемых материалов, срок службы составляет от 100 до 3500 циклов заряд-разряд.

Параметры
Теоретическая энергоёмкость: 237 Вт·ч/кг.
Удельная энергоёмкость: 45-65 Вт·ч/кг.
Удельная энергоплотность: 50-150 Вт·ч/дм³.
Удельная мощность: 150 Вт/кг.
ЭДС: 1,2-1,35 В.
Саморазряд: 10 % в месяц.
Рабочая температура: −15…+40 °С.
В отличие от обычных, одноразовых, элементов питания, NiCd-аккумулятор держит напряжение «до последнего», а затем, когда энергия аккумулятора будет исчерпана, напряжение быстро снижается.

Наиболее благоприятный режим для NiCd-аккумулятора - разряд средними токами (фотоаппарат), заряд в течение 14 часов током, равным 0,1 от ёмкости аккумулятора, выраженной в ампер-часах.

Аккумуляторы этого типа подвержены эффекту памяти и быстро выходят из строя в случае частой зарядки неполностью разряженного аккумулятора.

Аккумулятор, разряжаемый слабыми токами (например, в пульте дистанционного управления телевизором), быстро теряет ёмкость и выходит из строя.

Хранить NiCd аккумуляторы нужно в разряженном виде.

Области применения
Малогабаритные никель-кадмиевые аккумуляторы используются в различной аппаратуре как замена стандартного гальванического элемента.

Никель-кадмиевые аккумуляторы применяются на электрокарах, трамваях и троллейбусах (для питания цепей управления), речных и морских судах.

2. Никель-металл-гидридный аккумулятор
Никель-металл-гидридный аккумулятор (Ni-MH) - вторичный химический источник тока, в котором анодом является водородный металлогидридный электрод (обычно гидрид никель-лантан или никель-литий), электролит - гидроксид калия, катод - оксид никеля.

История изобретения
Исследования в области технологии изготовления NiMH аккумуляторов начались в семидесятые годы и были предприняты как попытка преодоления недостатков никель-кадмиевых аккумуляторов. 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, 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/дм³): около - 150 Вт·ч/дм³.
ЭДС: 1,3 В.
Рабочая температура: −40…+55 °С.
Срок службы: около 300-500 циклов заряда/разряда.

Описание
В отличие от обычных, одноразовых, элементов питания, никель-металл-гидридные аккумуляторы держат напряжение "до последнего", а затем, когда энергия аккумулятора будет исчерпана, напряжение быстро снижается. Этот тип аккумулятора разработан для замены никель-кадмиевых аккумуляторов. Он имеют примерно на 30 % большую емкость при тех же самых габаритах, но меньший срок службы - от 300 до 500 циклов заряда / разряда. Саморазряд примерно в 1.5 - 2 раза выше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов. Менее подвержены эффекту памяти и циклы глубокого разряда требуются реже. Перед зарядом рекомендуется полный разряд. Экологически безопасны.

Наиболее благоприятный режим работы:

Разряд небольшим током, от 0,2 до 0,5 номинальной ёмкости, время заряда - обычно примерно 30 минут.

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

Области применения

High power Ni-MH Battery of Toyota NHW20 Prius, Japan
Nickel-metal hydride battery made by Varta, «Museum Autovision», AltlußheimЗамена стандартного гальванического элемента, электромобили.

3. Литий-полимерный аккумулятор
Литий-полимерный аккумулятор (Li-pol или Li-polymer) - это более совершенная конструкция литий-ионного аккумулятора. Используется в мобильных телефонах, цифровой технике.

Обычные, бытовые литий-полимерные аккумуляторы не способны отдавать большой ток, но существуют специальные силовые литий-полимерные аккумуляторы, способные отдавать ток в 10 и даже 20 раз превышающий численное значение емкости (10-20С). Они широко применяются в портативном электроинструменте, в радиоуправляемых моделях и в некоторых современных электромобилях.
Преимущества: низкая цена за единицу емкости; большая плотность энергии на единицу объема и массы; низкий саморазряд; толщина элементов до 1 мм; возможность получать очень гибкие формы; экологически безопасные; незначительный перепад напряжения по мере разряда.

Недостаток: диапазон рабочих температур ограничен: элементы плохо работают на холоде и могут взрываться при перегреве выше 70 градусов Цельсия. Требуют специальных алгоритмов зарядки (зарядных устройств), представляют повышенную пожароопасность при неправильном обращении.

4.Литий-железо-сульфидный аккумулятор - это вторичный химический источник тока в котором анодом является литий-алюминиевый сплав, электролит -сплав хлорида-фторида и сульфида лития в матрице из оксида магния (твердый электролит), катод - сульфид железа.

Параметры
Теоретическая энергоемкость:560 Вт·ч/кг.
Удельная энергоемкость(Вт·ч/кг): около - 120 Вт·ч/кг.
Удельная энергоплотность(Вт·ч/дм³): около - 250 Вт·ч/дм³.
ЭДС: 1,35 В.
Рабочая температура:+450 °С.

Область применения
аккумулятор позволяет безопасно отдать огромные токи заряда и разряда(свыше 50C). это позволяет заряжать аккумуляторы в очень короткие сроки(единицы минут). нашли применения в устройствах, нуждающихся в крайне быстрой зарядке: шуруповерты, аккумуляторные дрели и т.п. имеют чуть меньшую удельную емкость чем Литий-полимерный аккумулятор,но зато намного более прочную оболочку(похожую на бытовые пальчиковые аккумуляторы и батарейки). Литий-полимерный аккумулятор имеет мягкую оболочку. это приемущесто возволяет использовать LiFe также и в механически более грубых условиях.

Безопасная эксплуатация и утилизация
данный типа аккумулятора отличается от других Литиевых аккумуляторов, и нуждается в специализированном зарядном устройстве! использование не предназначенных зарядников может значительно уменьшить емкость аккумулятора, а перезаряд привести к взрыву и воспламенению. любые литиевые аккумуляторы нельзя оставлять заряжаться в помещении без присмотра, а так же утилизировать сжиганием. химический состав Литиевых аккумуляторов очень активен!

Электрический аккумулятор можно встретить на любой модели с радиоуправлением. От него работает приёмник радиоуправления, сервомашинки, гироскоп, и другая электроника. На моделях с электроприводом аккумулятор питает электродвигатель, приводящий в движение модель.

Основные характеристики аккумуляторов
Ёмкость аккумуляторов измеряется в миллиампер-часах (мА·ч). Бортовые батареи для сервоприводов и приёмника обычно имеют ёмкости от 200-300 до 2000 мА·ч. Ходовые аккумуляторы - до 5300 мА·ч и выше. (англ.)
Масса элемента зависит от его типа и емкости. Важное значение имеет отношение емкости к массе, показывающее, какова плотность запасаемой аккумулятором энергии.
Токоотдача характеризует способность аккумулятора отдавать ток определенной величины. Обозначается в численных значениях емкости. Например 10С для аккумулятора емкостью 600 мА*ч означает, что данный аккумулятор способе отдавать ток, равный 10*0.6 = 6 Ампер. бытовые аккумуляторы способны отдавать ток до 3С; силовые, необходимые для питания ходового двигателя модели - от 10С и выше.
Внутреннее сопротивление определяет токоотдачу батареи. Чем меньше сопротивление, тем выше ток, который способен отдавать аккумулятор. При превышении допустимого тока, внутри элемента возрастает тепловыделение, возникает риск перегрева элемента, способный в свою очередь привести к закипанию электролита с интенсивным газообразованием и последующему взрыву элемента.
Напряжение элемента зависит от типа (химии) аккумулятора: типа использованных внутри него реагентов и реакций между ними.
Напряжение батареи зависит от числа элементов в аккумуляторной батарее и напряжения каждого элемента в отдельности. Чем выше напряжение батареи, тем выше максимальный ток, который эта батарея может отдать в нагрузку с фиксированным сопротивлением.

Типы аккумуляторов
Никель-кадмиевые

Элементы 2/3A и Sub-CЭлементы имеют форму цилиндра (в просторечии именуются "банками"), наиболее распространенные типоразмеры, применяемые на моделях: Sub-C (43х23 мм, вес ~65-75 гр.) и 2/3A (29х17 мм, вес ~20 гр.). Довольно часто используются и более привычные "бытовые" типоразмеры: АА и ААА, например в батареях для питания приемника и сервоприводов. Номинальное напряжение одного элемента 1,2в (1,35в полностью заряженного без нагрузки). Кадмиевые аккумуляторы отличаются неприхотливостью в эксплуатации, высоким сроком службы (до 1000 циклов заряд-разряд) и относительно низкой удельной емкостью (емкостью на единицу массы батареи).

Никель-металл-гидридные
Имеют те-же типоразмеры, что никель-кадмиевые, но обладают в полтора-два раза большей емкостью элементов при той же массе. Уступают кадмиевым аккумулятором по сроку службы. В качестве силовых Ni-MH аккумуляторы распространены в авто и судомоделях, в модельной авиации мало используются из-за довольно большого веса. Как и кадмиевые аккумуляторы, они постепенно уступают место более ёмким аккумуляторам на основе лития.

Литий-полимерные
Представляют собой пластины прямоугольной формы, номинальное напряжение одного элемента (пластины) 3,6в; полностью заряженного 4,2в. Обладают примерно втрое большей емкостью на единицу массы, чем никель-металл-гидридные аккумуляторы. Требуют аккуратного и осторожного обращения при эксплуатации: неправильная зарядка, перегрев или механическое повреждение литий-полимерных батарей может привести к их возгоранию! Для зарядки используются только специальные зарядные устройства для литий-полимерных аккумуляторов; в процессе заряда не допускается оставлять процесс без присмотра - чтобы исключить риск возникновения пожара. Благодаря своим выдающимися емкостным характеристикам литий-полимерные аккумуляторы широко применяются на современных летающих моделях, обеспечивая столь высокую мощность, что электрические авиамодели с литий-полимерными батареями сравнимы а порой и превосходят аналогичные модели с ДВС.

Литий-феррумные
Сравнительно новый тип аккумуляторов, сочетающий в себе емкость литиевых элементов с неприхотливостью и надежностью кадмиевых батарей. На данный момент выпускается два вида батарей в герметичном цилиндрическом корпусе: емкостью 2300 мА*ч и 1100 мА*ч. Номинальное напряжение одного элемента 3,3в. Массового распространения еще не получили, но уже успешно применяются отдельными энтузиастами на самых различных типах моделей!

Способы зарядки аккумулятора

В процессе зарядки аккумулятора в нем происходят химические преобразования. Только часть поступающей энергии тратится на эти преобразования, другая часть превращается в тепло. Можно ввести понятие «КПД процесса зарядки аккумулятора». Это та часть энергии, поступающей от зарядного устройства, которая запасается в аккумуляторе. Значение КПД никогда не бывает 100%, при одних условиях зарядки КПД выше, при других – ниже. Тем не менее, КПД может быть довольно высоким, что позволяет производить зарядку большими токами не опасаясь перегрева аккумулятора. Химические реакции, которые протекают в NiMH аккумуляторе при его зарядке, являются экзотермическими, в отличие от NiCd аккумуляторов, где они эндотермические. Это означает, что КПД зарядки NiMH аккумуляторов ниже, и они более горячие в процессе зарядки. Это требует более тщательного контроля процесса зарядки.
Скорость зарядки аккумулятора зависит от величины зарядного тока. Ток зарядки обычно измеряют в единицах C, где C – численное значение емкости аккумулятора. Это не совсем корректно с точки зрения размерностей физических величин, но принято считать, что ток 1C для аккумулятора емкостью 2500 мА/ч равен 2500 мА. По скорости различают несколько видов зарядки: капельная зарядка (trickle charge), быстрая зарядка (quick charge) и ускоренная зарядка (fast charge). Капельная зарядка обычно определяется как зарядка током 0.1C, быстрая зарядка – током порядка 0.3C, ускоренная зарядка – током 0.5…1.0C. На самом деле принципиальных отличий между быстрой и ускоренной зарядкой нет, они отличаются лишь предпочтительными методами определения конца зарядки. Поэтому есть смысл разделять только два вида зарядки: капельная и быстрая. К быстрой зарядке можно отнести любую зарядку током, большим 0.1C. Принципиальным отличием капельной и быстрой зарядки является то, что при быстрой зарядке зарядное устройство должно автоматически заканчивать процесс, пользуясь какими-то критериями. При капельной зарядке окончание процесса можно не детектировать, а аккумулятор может находится в состоянии капельной зарядки сколь угодно долго.

Быстрая зарядка
Большинство производителей NiMH аккумуляторов приводят характеристики своих аккумуляторов для случая быстрой зарядки током 1C. Хотя иногда можно встретить рекомендации не превышать ток 0.75C. Эти рекомендации связаны с опасностью открывания вентиляционных отверстий аккумулятора при быстрой зарядке в условиях повышенной температуры окружающей среды. «Умное» зарядное устройство должно оценить условия и принять решение о допустимости быстрого заряда. Считается, что быстрый заряд можно использовать только в диапазоне температур 0…+40°C и при напряжении на аккумуляторе 0.8…1.8 В. КПД процесса быстрой зарядки очень высок (порядка 90%), поэтому аккумулятор нагревается слабо. Однако в конце зарядки КПД этого процесса резко падает и практически вся подводимая к аккумулятору энергия начинает превращаться в тепло. Это вызывает резкий рост температуры и давления внутри аккумулятора, что может вызвать его повреждение. И хотя для современных аккумуляторов взрыва, скорее всего, не последует, просто откроются вентиляционные отверстия и часть содержимого аккумулятора будет безвозвратно утрачена. Это точно не пойдет на пользу аккумулятору, не говоря уже об изменении внутренней структуры электродов под воздействием высокой температуры. Поэтому при быстрой зарядке аккумулятора очень важно зарядку вовремя прекратить. К счастью, в режиме быстрой зарядки есть довольно надежные критерии, по которым зарядное устройство может это сделать.

Алгоритм работы быстрого зарядного устройства состоит из нескольких фаз:
1. Определение наличия аккумулятора.
2. Квалификация аккумулятора (qualification).
3. Пред-зарядка (pre-charge).
4. Переход к быстрой зарядке (ramp).
5. Быстрая зарядка (fast charge).
6. Дозарядка (top-off charge).
7. Поддерживающая зарядка (maintenance charge).

Капельная зарядка (trickle charge)
Вопреки существующему мнению, капельная зарядка не способствует долгой жизни аккумуляторов. Дело в том, что при капельной зарядке зарядный ток не отключают даже после того, как аккумулятор полностью зарядился. Именно поэтому ток выбирается малым. Считается, что даже если вся энергия, сообщаемая аккумулятору, будет превращаться в тепло, при столь малом токе он не сможет существенно нагреться. Для NiMH аккумуляторов, которые значительно хуже реагируют на перезарядку, чем NiCd, ток капельного заряда рекомендуется не более 0.05C. Для аккумуляторов большей емкости значение тока капельной зарядки больше. Это означает, что в зарядном устройстве, предназначенном для зарядки аккумуляторов большой емкости, аккумуляторы малой емкости будут сильно нагреваться, что сокращает срок их службы. Снижение тока капельной зарядки ведет к увеличению длительности зарядки сверх разумного. Аккумулятор большой емкости, установленный в зарядное устройство, предназначенное для зарядки аккумуляторов малой емкости, может вообще никогда не достичь своего полного заряда, так как с процессом заряда будет конкурировать саморазряд. Долго находясь в таких условиях, аккумуляторы начинают деградировать, теряя емкость.
При всем желании, надежно детектировать конец капельной зарядки невозможно. На низких зарядных токах профиль напряжения плоский, практически нет характерного максимума в конце зарядки. Температура также растет плавно. Единственным методом является ограничение процесса зарядки по времени. Однако при этом нужно знать не только точную емкость аккумулятора (которая зависит от возраста и состояния аккумулятора), но и величину его начального заряда. Исключить влияние начального заряда можно только одним способом – полностью разрядить аккумулятор перед зарядкой. А это еще больше удлиняет процесс зарядки и укорачивает жизнь аккумулятора, которая определяется количеством
циклов заряд-разряда. Еще одной помехой при вычислении длительности капельной зарядки является низкий КПД этого процесса. Для капельной зарядки КПД не превышает 75%, более того, КПД зависит от многих факторов, в том числе от температуры и состояния аккумулятора. Единственным преимуществом капельной зарядки является простота реализации (без контроля конца зарядки). В то же время производители NiMH аккумуляторов не рекомендуют пользоваться капельной зарядкой. И только в самое последнее время производители аккумуляторов специально отмечают, что современные NiMH аккумуляторы не деградируют под воздействием длительной капельной зарядки.

Фаза определения наличия аккумулятора
В этой фазе обычно проверяется напряжение на выводах аккумулятора при включенном генераторе зарядного тока примерно 0.1C. Если при этом напряжение оказывается выше 1.8 В, это значит, что аккумулятор отсутствует или поврежден. В любом случае зарядка начинаться не должна. Как только будет обнаружено меньшее напряжение, делается вывод, что аккумулятор подключен и можно начинать зарядку.
Во всех других фазах зарядки на фоне основных действий должна производится проверка наличия аккумулятора. Эта необходимость связана с тем, что аккумулятор в любой момент может быть вынут из зарядного устройства. При этом из любой фазы зарядное устройство должно перейти на первую фазу – определение наличия аккумулятора.

Фаза квалификации аккумулятора
Зарядка начинается с фазы квалификации аккумулятора. Эта фаза нужна для грубой оценки начального заряда аккумулятора. Если напряжение на аккумуляторе меньше 0.8 В, то быструю зарядку производить нельзя. В этом случае требуется дополнительная фаза пред-
зарядки. Если же напряжение больше этой величины, то фаза пред-зарядки пропускается. На практике аккумуляторы никогда не разряжают ниже 1.0 В. Поэтому фаза пред-зарядки реально никогда не используется, разве что при зарядке глубоко разряженных или долго не бывших в употреблении аккумуляторов.

Фаза пред-зарядки
Эта фаза предназначена для начальной зарядки глубоко разряженных аккумуляторов. Значение тока пред-зарядки выбирается в пределах 0.1…0.3C. Фаза пред-зарядки должна быть ограничена во времени (например, 30 мин). Более длительная пред-зарядка смысла не имеет, так как у исправного аккумулятора напряжение должно довольно быстро достигнуть порогового значения 0.8 В. Если же напряжение не растет, значит аккумулятор поврежден и процесс зарядки нужно прервать с индикацией ошибки.
Во всех длительных фазах зарядки необходимо контролировать температуру и прекращать зарядку при достижении критического значения. Для NiMH аккумуляторов максимально допустимой во время зарядки считают температуру 50°C. Как и во всех других фазах, необходимо контролировать наличие аккумулятора.

Фаза перехода к быстрой зарядке
Если напряжение на аккумуляторе выше 0.8 В, то можно начинать быструю зарядку. Сразу включать большой зарядный ток не рекомендуется. Ток нужно плавно повышать в течение 2…4 мин, пока он не достигнет заданного тока быстрой зарядки.
В этой фазе необходимо контролировать температуру и прекращать зарядку при достижении критического значения. Как и во всех других фазах, необходимо контролировать наличие аккумулятора.

Фаза быстрой зарядки В этой в фазе ток зарядки устанавливают в пределах 0.5…1.0C. Основной проблемой при быстрой зарядке является точное определение момента окончания зарядки. Если фазу быстрой зарядки вовремя не прекратить, аккумулятор будет разрушен. Поэтому весьма желательно, чтобы для определения окончания быстрой зарядки использовалось сразу несколько независимых критериев.
Для NiCd аккумуляторов обычно применялся так называемый –dV метод. В процессе зарядки напряжение на аккумуляторе растет, но в самом конце зарядки оно начинает падать. Для NiCd аккумуляторов критерием окончания зарядки являлось снижение напряжения примерно на 30 мВ (на каждый аккумулятор). –dV – это самый быстрый метод, он хорошо работает даже с частично заряженными аккумуляторами. Если, например, установить на зарядку полностью заряженный аккумулятор, то напряжение на нем начнет быстро расти, затем довольно резко падать. Это вызовет окончание зарядки.
Для NiMH аккумуляторов этот метод работает не столь хорошо, потому что падение напряжения для них менее выражено. При токах зарядки менее 0.5C максимум напряжения вообще может отсутствовать, поэтому зарядное устройство, предназначенное для зарядки аккумуляторов малой емкости, не всегда может определить конец зарядки аккумуляторов большой емкости. При повышенных температурах максимум напряжения также несколько смазывается. Слабое падение напряжения в конце зарядки вынуждает повышать чувствительность, что может привести к досрочному завершению быстрой зарядки из-за помех. Помехи генерируются как самим зарядным устройством, так и проникают из питающей сети. По этой причине не рекомендуется заряжать аккумуляторы в автомобиле, так как бортовая сеть обычно имеет очень высокий уровень помех. Сам аккумулятор тоже является источником шумов. Поэтому при измерении напряжения нужно применять фильтрацию. Надежность метода –dV уменьшается при зарядке батарей последовательно соединенных аккумуляторов, если отдельные аккумуляторы в батарее различаются по степени заряда. При этом пик напряжения для разных аккумуляторов батареи наступает в разные моменты времени, и профиль напряжения смазывается.
Иногда для NiMH аккумуляторов вместо метода –dV используют метод dV=0, когда вместо падения напряжения детектируют плато на профиле напряжения. Критерием конца зарядки в этом случае служит постоянство напряжения на аккумуляторе в течение, например, 10 минут. Метод dV=0 можно рассматривать как вариант метода –dV с установленным нулевым порогом изменения напряжения.
Несмотря на все трудности определения конца зарядки методом –dV, именно этот метод большинством производителей NiMH аккумуляторов называется как основной при быстрой зарядке. Типичным значением для изменения напряжения в конце зарядки током 1C является –2.5…–12 мВ на один аккумулятор.
Сразу после включения большого зарядного тока напряжение на аккумуляторе может испытывать флуктуации, которые могут быть неверно восприняты как падение напряжения в конце зарядки. Для предотвращения ложного прекращения быстрой зарядки первые 3…10 мин (hold off time) после включения зарядного тока контроль –dV должен быть выключен.
Одновременно с падением напряжения в конце зарядки начинает расти температура и давление внутри аккумулятора. Поэтому конец зарядки можно определить по возрастанию температуры. Устанавливать абсолютный порог температуры для определения момента окончания зарядки не рекомендуется, так как сильное влияние на точность будет оказывать температура окружающей среды. Поэтому чаще используют не саму температуру, а скорость ее изменения dT/dt. Считается, что при зарядном токе 1C процесс зарядки нужно завершать, когда скорость роста температуры dT/dt достигнет 1°C/мин. Нужно отметить, что при токах зарядки менее 0.5C скорость роста температуры почти не меняется и этот критерий использовать нельзя. Ввиду тепловой инерции метод dT/dt склонен вызывать некоторый перезаряд аккумулятора.
Как метод dT/dt, так и метод –dV вызывают некоторый перезаряд аккумулятора, что ведет к снижению срок его службы. Для того, чтобы обеспечить полный заряд аккумулятора, завершение заряда лучше проводить малым током при низкой температуре аккумулятора, так как при повышенных температурах способность принимать заряд у аккумуляторов заметно падает. Поэтому фазу быстрой зарядки желательно завершать чуть раньше. Существует так называемый inflexion метод определения окончания быстрой зарядки . Суть этого метода заключается в том, что анализируется не максимум напряжения на аккумуляторе, а максимум производной напряжения по времени. Т.е. быстрая зарядка прекратится в тот момент, когда скорость роста напряжения будет максимальной. Это позволяет завершить фазу быстрой зарядке раньше, когда температура аккумулятора еще не успела значительно подняться. Однако этот метод требует измерения напряжения с большей точностью и некоторых математических вычислений (вычисления производной и цифровой фильтрации полученного значения).
Некоторые зарядные устройства используют не постоянный зарядный ток, а импульсный . Импульсы тока имеют длительность порядка 1 сек, промежуток между импульсами – порядка 20…30 мс. Как преимущество такого метода называют лучшее выравнивание концентрации активных веществ по всему объему, меньшую вероятность образования крупных кристаллических образований на электродах и их пассивации. Точных данных по эффективности такого метода нет, во всяком случае, вреда он не приносит. С другой стороны, такой способ имеет другие преимущества. В процессе детектирования окончания быстрого заряда необходимо точно измерять напряжение на аккумуляторе. Если измерение проводить под током, то дополнительную погрешность будет вносить сопротивление контактов, которое может быть нестабильным. Поэтому на время измерения зарядный ток желательно отключать. После выключения зарядного тока необходимо сделать паузу 5…10 мс, пока напряжение на аккумуляторе установится. Затем можно производить измерение. Для эффективной фильтрации помех сетевой частоты можно произвести ряд последовательных выборок на интервале 20 мс (один период сетевой частоты) с последующей цифровой фильтрацией.
Идея заряда импульсным током получила дальнейшее развитие. Был разработан метод, который называют FLEX negative pulse charging или Reflex Charging. Этот метод отличается от простого импульсного заряда наличием в промежутках между импульсами тока зарядки импульсов разрядного тока. При длительности импульсов тока зарядки порядка 1 сек длительность импульсов разрядного тока выбирается порядка 5 мс. Величина разрядного тока больше тока зарядки в 1.0…2.5 раз. Как преимущество такого метода называют более низкую температуру аккумулятора в процессе зарядки и способность устранять крупные кристаллические образования на электродах (вызывающих эффект «памяти»). Но есть результаты независимой проверки это метода фирмой General Electric, которые говорят о том, что пользы такой метод не приносит, как, впрочем, и вреда.
Поскольку правильное определения окончания быстрого заряда является очень важным, хорошее зарядное устройство должно использовать несколько методов определения сразу. Кроме того, должны проверяться некоторые дополнительные условия для аварийного прекращения быстрой зарядки. Так, в фазе быстрой зарядки необходимо контролировать температуру аккумулятора и прекращать быструю зарядку в случае достижения критического значения. Для быстрой зарядки ограничение по температуре более жесткое, чем для зарядки вообще. Поэтому при достижении температуры +45°C необходимо аварийно прекратить быструю зарядку и перейти на фазу дозарядки меньшим током. Очень желательно пред продолжением зарядки дождаться остывания аккумулятора, так как при повышенных температурах способность принимать заряд у аккумуляторов падает.
Еще одним дополнительным условием является ограничение времени быстрой зарядки. Зная ток зарядки, емкость аккумулятора и КПД процесса зарядки можно вычислить время, необходимое для полной зарядки. Таймер быстрой зарядки должен быть установлен на время, больше расчетного на 5…10%. Если это время истекло, а ни один из способов детектирования окончания быстрой зарядки не сработал, она аварийно прекращается. Такая ситуация, скорее всего, говорит о неисправности каналов измерения напряжения и температуры.
Кроме того, как и во всех других фазах, необходимо контролировать наличие аккумулятора.

Фаза дозарядки
В этой фазе ток зарядки устанавливают в пределах 0.1…0.3C. При токе дозарядки 0.1C производители рекомендуют длительность дозарядки 30 мин. Более длительная дозарядка приводит к перезаряду, что увеличивает емкость аккумулятора на 5…6%, но сокращает количество циклов заряд-разряда на 10…20%. Еще одним положительным эффектом дозарядки является выравнивание заряда аккумуляторов в батарее. Те аккумуляторы, которые полностью заряжены, будут рассеивать подводимую энергию в виде тепла, в то время как другие будут заряжаться. Если фаза дозарядки идет непосредственно после фазы быстрой зарядки, полезно в течение нескольких минут остудить аккумуляторы. С повышением температуры способность аккумулятора принимать заряд существенно падает. Например, при температуре 45°C аккумулятор способен принять только 75% заряда. Поэтому дозарядка, проведенная при комнатной температуре, позволяет получить более полный заряд аккумулятора.

Поддерживающая зарядка Капельная подзарядка
Зарядные устройства, предназначенные для зарядки NiCd аккумуляторов по окончанию процесса зарядки обычно переходят в режим капельного заряда, чтобы поддерживать аккумулятор в полностью заряженном состоянии. Это приводит к тому, что температура аккумулятора всегда остается повышенной, что уменьшает срок службы аккумулятора. Для NiMH аккумуляторов долго находится в состоянии капельной зарядки нежелательно, так как эти аккумуляторы плохо переносят перезаряд. По крайней мере, ток поддерживающей зарядки должен быть очень низким, чтобы только компенсировать саморазряд. Для NiMH аккумуляторов саморазряд составляет до 15% емкости в первые 24 часа, затем саморазряд снижается и составляет 10…15% в месяц. Для того, чтобы скомпенсировать саморазряд, достаточен средний ток менее 0.005C. Некоторые зарядные устройства включают ток поддерживающей зарядки раз в несколько часов, остальное время аккумулятор отключен. Величина саморазряда сильно зависит от температуры, поэтому еще лучше сделать поддерживающий заряд адаптивным: небольшой ток зарядки включается лишь тогда, когда обнаруживается заданное уменьшение напряжения на аккумуляторе.
В принципе, от фазы поддерживающей зарядки можно вообще отказаться, но если между зарядкой и использованием аккумуляторов проходит время, то непосредственно перед использованием аккумуляторы нужно подзарядить для компенсации саморазряда. Хотя более удобно, если зарядное устройство постоянно поддерживает аккумуляторы в состоянии полной зарядки

Как нужно проводить восстановление Ni─MH аккумулятора и почему это важно?

Ni─MH аккумуляторы рекламируются производителями, как батареи с большой энергоёмкостью, устойчивые к холоду, и лишённые недостатков кадмиевых. Действительно, этот тип батарей не имеет в своём составе такого вредного вещества, как кадмий. Производство и переработка Ni─MH аккумуляторов не имеют тех сложностей, что для Ni─Cd. Но некоторые недостатки кадмиевых батарей у них остались. К примеру, сохранился «эффект памяти». Да и вообще, Ni─MH очень чувствительны к режимам зарядки и разрядки. Для заряда никель─металлогидридных аккумуляторов требуются продвинутые устройства. Кроме того, чтобы продлить срок службы таких элементов, нужно их периодически восстанавливать. Поговорим о том, как это можно сделать.

Несмотря на преимущества никель─металлогидридных аккумуляторов перед никель─кадмиевыми, у них имеется ряд недостатков. И их нужно учитывать при эксплуатации.

Для начала нужно отметить, что дороже Ni─Cd. Правда, технологии не стоят на месте и цена этих типов батарей постепенно сравнивается. Речь в этом случае ведётся об аккумуляторах распространённого форм-фактора АА («пальчиковые») и ААА («мизинчиковые»). У «эффект памяти» выражен больше, но, тем не менее, никель─металлогидридные батареи то же сталкиваются с этой проблемой.

Никель─металлогидридные аккумуляторные батареи имеют меньшее количество циклов заряд-разряд. Первые ухудшения их эксплуатационных характеристик наблюдаются уже после 200─300 циклов заряд-разряд. Этот тип аккумуляторов имеет больший саморазряд по сравнению с Ni─Cd батарейками (примерно в 1,5 раза).

Стоит отметить и ещё один момент. Никель─металлогидридные батарейки могут отдавать большой ток, но не рекомендуется при разряде устанавливать значения, больше 0,5*С. Это приводит к значительному сокращению числа циклов заряд-разряд и уменьшению срока службы. Пока там, где требуются высокие разрядные токи, по-прежнему используются Ni─Cd аккумуляторы.

Не забывайте о том, что зарядное устройство для Ni─MH аккумуляторов будет без проблем работать с никель─кадмиевыми, но не наоборот.

Зарядка никель─металлогидридных аккумуляторов

Зарядка никель─металлогидридных аккумуляторов бывает капельная и быстрая. Капельная зарядка не рекомендуется производителями из-за того, что при ней возникает сложность с определением прекращения подачи тока на аккумулятор. В результате может идти сильный перезаряд и деградация аккумуляторов. Как правило, заряд Ni─MH аккумуляторов выполняется при помощи быстрого или ускоренного варианта зарядки. При этом КПД зарядки выше, чем при капельной. Ток заряда в этом случае ставится 0,5─1С.

Из-за «эффект памяти» никель─металлогидридные элементы могут терять значительную часть своей ёмкости. Он проявляется меньше, чем в никель─кадмиевых, но все равно присутствует. Эффект памяти проявляется при многократных циклах неполного разряда и последующего заряда. В результате такой эксплуатации аккумулятор «запоминает» всё меньшую нижнюю границу разряда, из-за чего уменьшается ёмкость. Часть активной массы аккумуляторной батареи выпадает из процесса.

Для устранения этого эффекта рекомендуется регулярно проводить восстановление или тренировку аккумуляторов. Для этого зарядным устройством или лампочкой проводится разрядка батареи до 0,8─1 вольта, а затем полный процесс зарядки. Если аккумулятор не проходил восстановление длительное время, то рекомендуется сделать несколько таких циклов. Рекомендуемая периодичность такой тренировки – раз в месяц.

Производители Ni─MH аккумуляторов заявляют, что «эффект памяти» отнимает около 5 процентов ёмкости. Восстановление такого количества ёмкости в результате тренировки вполне реально. В принципе, это можно измерить, разрядив полностью заряженный аккумулятор. Для этого нужно будет засечь время разрядки и умножить его на ток разряда. Это и будет ёмкость, которую нужно сравнить с номиналом. Некоторые устройства, например, проводят измерения в автоматическом режиме.

Важным моментом при восстановлении Ni─MH аккумуляторов является наличие у зарядного устройства функции разряда батареи с контролем по минимальному напряжению. Это нужно для того, чтобы не допустить глубокого разряда аккумулятора при восстановлении (ниже 0,8─1 вольта). Это незаменимо для тех случаев, когда вам неизвестна начальная степень заряда батарейки, и прикинуть примерное время разряда не представляется возможным.

Когда вы не знаете степень заряженности аккумуляторной батареи, разряжать лампочкой или другим сопротивлением его нужно под постоянным контролем напряжения. Иначе такое восстановление аккумуляторной батареи кончится её глубоким разрядом. Если вы делаете восстановление целой батареи, последовательно соединённых элементов, то сначала лучше провести их полную зарядку для выравнивания степени заряженности.

Вообще, по восстановлению никель─металлогидридных аккумуляторных батарей нужно отметить следующий момент. Если батарейка уже отработала несколько лет, то подобное восстановление полным разрядом и зарядом может оказаться бесполезным. Такое восстановление полезно в качестве периодической профилактики в процессе эксплуатации батареи. Дело в том, что в процессе эксплуатации Ni─MH аккумуляторов параллельно с возникновением «эффекта памяти» происходит изменение состава и объёма электролита. Для никель─кадмиевых батарей есть примеры восстановления с помощью доливки в элементы дистиллированной воды. Об этом говорилось в статье о .

Также хотелось бы отметить, что лучше всего проводить восстановление элементов по отдельности, а не всей аккумуляторной батареи целиком.

Всё о Ni─MH аккумуляторах: устройство, характеристики, плюсы и минусы

Никель-металлогидридные (Ni─MH) аккумуляторы относятся к группе щелочных. Это химические источники тока, в которых в роли анода выступает водородный металлогидридный электрод, катода ─ оксид никеля, а электролитом является щёлочь гидроксид калия (KOH). Ni─MH аккумуляторы имеют конструкцию, аналогичную Ni─Cd аккумуляторам. По протекающим в них процессам они похожи на никель-водородные аккумуляторы. По своей удельной энергоёмкости никель─металлогидридные превосходят оба этих типа. В этой статье мы подробно разберём устройство и характеристики Ni─MH аккумуляторы, также их плюсы и минусы.

Никель-металлогидридные начали создавать ещё в середине прошлого века. Они разрабатывались с учётом преодоления недостатков . Во время проводимых исследований учёные разработали новые никель─водородные батареи, применяемые в космической технике. Им удалось разработать новый способ накопления водорода. В новом типе аккумуляторов водород собирался в определённых материалах, а точнее сплавах некоторых металлов. Эти сплавы могли накапливать объем водорода, в тысячу раз превышающий их собственный объем. В состав сплавов входили 2 или более металлов. Один из них накапливал водород, а другой выступал в роли катализатора, который обеспечивал переход атомов водорода в металлическую решётку.

В Ni─MH аккумуляторах могут использоваться различные комбинации металлов. В результате есть возможности по изменению свойств сплава. Для создания никель─металлогидридных аккумуляторов был налажен выпуск сплавов, которые работают в условиях комнатной температуры и при низком давлении водорода. Разработка различных сплавов и совершенствование технологии производства Ni─MH аккумуляторов ведётся по настоящее время. Современные образцы аккумуляторов этого типа обеспечивают до 2 тысяч циклов заряд-разряд. При этом ёмкость минусового электрода снижается не больше, чем на 30 процентов. Такой результат достигается при использовании сплавов никеля с различными редкоземельными металлами.

В 1975 году Билл получил патент на сплав LaNi5. Это был первый образец никель─металлогидридного аккумулятора, где этот сплав был в роли активного вещества. Что касается более ранних экземпляров из других металлогидридных сплавов, то там не была обеспечена требуемая ёмкость.

Промышленный выпуск Ni─MH аккумуляторов был организован лишь в середине восьмидесятых годов, когда был получен сплав состава La─Ni─Co. Он позволял проводить обратимое абсорбирование водорода больше ста циклов. В дальнейшем все усовершенствования конструкции Ni─MH аккумуляторных батарей сводились к наращиванию энергетической плотности.

В дальнейшем был заменён отрицательный электрод, что дало увеличение активной массы плюсового электрода в 1,3─2 раза. Именно от плюсового электрода и зависит ёмкость этого типа аккумуляторов. Ni─MH аккумуляторы обладают более высокими удельными энергетическими параметрами, чем никель─кадмиевые.

Помимо высокой энергетической плотности никель-металлогидридных аккумуляторных батарей, они ещё состоят из нетоксичных материалов, что упрощает их эксплуатацию и утилизацию. Благодаря этим факторам аккумуляторы Ni─MH стали успешно распространяться. Дополнительно можете прочитать про для автомобиля.

Применение никель-металлогидридных аккумуляторов

Ni─MH аккумуляторы широко применяются для питания различной электроники, работающей в автономном режиме. В большинстве своём они выполняются в виде АА или ААА батарей. Хотя есть и другие исполнения, в том числе, промышленные аккумуляторные батареи. Сфера применения у них практически полностью совпадает с никель─кадмиевыми и даже шире, поскольку они не содержат токсичных материалов.

Продаваемые на рынке никель─металлогидридные аккумуляторы можно разделить на две большие группы по ёмкости:

• 1500-3000 мАч;
• 300-1000 мАч.

Первая группа (1500-3000 мАч) используется в различных устройствах, которые имеют высокое энергопотребление за короткий промежуток времени. При этом, как правило, отсутствует предварительное хранение батареек. В качестве примера можно привести такие устройства, как плееры, фотоаппараты, радиоуправляемые модели и другие гаджеты, где энергия аккумулятора Ni─MH расходуется за короткое время .

Вторая группа (300-1000 мАч) подходит, когда расход энергии начинается после определённого временного интервала. Примером могут служить ручные фонарики, рации, игрушки, GPS-навигаторы и других устройств с умеренным энергопотреблением, долгое время находящихся в автономном режиме.

Устройство Ni─MH аккумуляторов

Конструкция никель─металлогидридных аккумуляторов

Ni─MH цилиндрической формы

В этой конструкции разноимённые электроды разделены сепаратором. Все вместе они свёрнуты в рулон. Он помещается в корпус и герметизируется крышкой со специальной прокладкой. В крышке сделан аварийный клапан, рассчитанный на открытие при возрастании давления внутри аккумулятора до 2─4 МПа. На рисунке ниже показана конструкция никель─металлогидридного цилиндрического аккумулятора.

Ni─MH призматической формы

В Ni─MH аккумуляторах призматической формы поочерёдное размещение разноимённых электродов. Их также разделяет сепаратор. Сборка электродов находится в металлическом или пластиковом корпусе, который закрывается герметичной крышкой. В крышке в большинстве случаев ставится датчик или клапан давления. Ниже представлена конструкция никель-металлогидридного аккумулятора призматической формы.

В никель-металлогидридных аккумуляторных батареях в роли электролита выступает щёлочь. По составу это КОН с добавлением LiOH. Материал сепаратора в большинстве случаев это нетканый полиамид и полипропилен, обработанные смачивателем. Толщина сепаратора от 0,12 до 0,25 миллиметров.

Положительный электрод Ni─MH аккумуляторов выполняется из тех же материалов, что используются в Ni─Cd аккумуляторных батареях. Это оксидно─никелевая металлокерамика, пенополимерные и войлочные материалы.

Отрицательные электроды для Ni─MH аккумуляторов могут быть следующих вариантов:

• ламель. Водород─абсорбирующий сплав в виде порошка запрессовывается в сетку из никеля;
• пеноникелевый. Паста из сплава и связующего вещества вводится в пеноникелевую основу с последующей сушкой и прессованием;
• фольга. Паста из сплава и связующего вещества наносится на перфорированную фольгу (из никеля или стали) с последующей сушкой и прессованием;
• вальцованный. Порошок из сплава и связующего посредством прокатки (вальцевание) наносится на решётку или сетку (медную или никелевую);
• спечённый. Сплав в порошкообразном виде напрессовывается на сетку Ni и затем обжигается в водороде.

Удельные ёмкости у всех этих вариантов электродов близки по значению. Они зависят в основном от ёмкости используемого сплава. Теперь стоит несколько подробнее рассмотреть конструкцию разных электродов никель─металлогидридных аккумуляторов.

Устройство электродов Ni─MH аккумуляторов

Устройство металловодородного электрода

Основной материал, который определяет характеристики Ni─MH аккумуляторов, это сплав, поглощающий водород. Он может абсорбировать объем водорода в тысячу раз больший, чем его собственный объем . Наиболее распространённым сплавом для производства металловодородных электродов стал LaNi5. Так обозначается группа сплавом, где никель частично заменён на кобальт, марганец и алюминий. Это сделано для увеличения его активности и стабильности. В целях экономии ряд производителей используют не лантана, а Мm (миш-металл). Он представляет собой смесь редкоземельных элементов в соотношении, близком к тому, что есть в природной руде. Там кроме La есть неодим, церий, празеодим.

Во время прохождения цикла заряд-разряд кристаллическая решётка сплава сжимается и расширяется на 15─25 процентов. Это обусловлено процессами десорбции и абсорбции водорода. В результате растёт внутреннее напряжение и в сплаве образуются трещины. Из-за образования трещин растёт площадь поверхности, подвергающейся коррозии из-за реакции со щёлочью (электролит). В результате происходит постепенное снижение разрядной ёмкости отрицательного электрода.

Поскольку в аккумуляторной батарее имеется ограниченное количество электролита, все описанные процессы порождают проблемы, которые связаны с его перераспределением. В результате коррозии сплава его поверхность становится химически пассивной. На ней образуются оксиды и гидроксиды, стойкие к коррозии. Они увеличивают перенапряжение при реакции на металлогидридном электроде. Продукты коррозии образуются с потреблением водорода и кислорода из щелочи. Это ведёт к уменьшению количества электролита в батарее и увеличению её внутреннего сопротивления. Все эти процессы отрицательно сказываются на сроке эксплуатации Ni─MH аккумуляторов.

Чтобы снизить нежелательные процессы коррозии и диспергирования, производители используют 2 методики. Первая включает в себя микрокапсулирование частиц сплава. Это значит, что поверхность покрывается пористым слоем меди или никеля малой толщины (5─10 процентов). Более распространена вторая методика. Эта технология подразумевает обработку частиц сплава в щелочном растворе. В результате образуется защитная плёнка, которая проницаема для водорода.

Устройство оксидно─никелевого электрода

Оксидно-никелевые электроды можно встретить в следующих исполнениях:

• ламельные;
• безламельные металлокерамические спечёные;
• прессованные.

Всё большую популярность обретают пенополимерные и безламельные войлочные электроды.

Конструктивно ламельные оксидно─никелевые электроды состоят из соединённых ламелей. Ламель – это перфорированные коробочки из тонкой стальной никелированной ленты. Её толщина составляет 0,1 миллиметра.

Металлокерамические спечённые электроды имеют пористую структуру металлокерамической основы. В порах, которых в основе не менее 70 процентов, находится активная масса. Материал основы – это карбонильный никелевый мелкодисперсный порошок (60─65 процентов) и карбонат аммония (или карбамид). Этот порошок напрессовывается, накатывается на сетку из никеля или стали. Также может выполняться его напыление.

Далее по технологии сетка с порошком проходит термообработку в атмосфере водорода. Температура при этом составляет 800─960 градусов Цельсия. Карбамид или карбонат аммония разлагается и происходит спекание никеля. В результате получается основа толщиной 1─2,3 миллиметра. Пористость получаемой основы составляет 80─85 процентов, а радиус пор равен 5─20 микрометров. Далее полученная основа пропитывается нагретым до 60─90 градусов раствором сульфата или нитрата никеля. А затем ещё делается пропитка раствором щелочи, осаждающей оксиды и гидроксиды никеля.

На современных производствах применяется электрохимическая технология пропитки. Электрод в растворе нитрата никеля подвергают катодной обработке. В результате в порах выделяется водород и пластины подщелачиваются. В порах пластины происходит осаждение гидроксидов и оксидов никеля.

Фольговые электроды являются разновидностью спечённых электродов. Их производят следующим образом. На перфорированную ленту из никеля толщиной около 0,05 миллиметра с двух сторон наносится спиртовая эмульсия никелевого карбонильного порошка со связующими веществами. Далее проводится спекание и пропитка реагентами (химическая или электрохимическая). Толщина электрода равна 0,4─0,6 миллиметра.

Прессованные электроды производятся путём напрессовки на ленту или сетку из стали активной массы. Давление при этом составляет 35─60 МПа. В качестве активной массы используется смесь гидроксидов никеля и кобальта, графита, связующих веществ.

Металловойлочные электроды представляют собой высокопористую основу, состоящую из волокон углерода или никеля. Пористость основы составляет от 95 процентов. Войлочный электрод делается на основе углеграфитового или полимерного фетра, покрытого никелем. Толщина электрода может быть от 0,8 до 10 миллиметров. Активная масса внедряется в войлок различными методиками.

Есть технология, где вместо войлока используют пеноникель. Его делают никелированием пенополиуретана и дальнейшим отжигом в восстановительной атмосфере. В высокопористую среду вносят добавки посредством намазки. Это паста, включающая в себя гидроксид никеля со связкой. Далее основу сушат и вальцуют. Электроды металловойлочного и пеноникелевых типов имеют высокую удельную ёмкость и существенный ресурс работы.

Реакции в никель─металлогидридных аккумуляторах

Как уже разбиралось выше, в Ni─MH аккумуляторе положительный электрод оксидно─никелевый также, как в Ni─Cd батареях. А вот отрицательный электрод вместо кадмиевого используется из никелевого сплава с добавлением редкоземельных элементов.

Какие реакции протекают в Ni─MH аккумуляторах?

На оксидно-никелевом электроде (положительный) протекает реакция:

При заряде

Ni(OH) 2 + OH −- ⇒ NiOOH + H 2 O + e −

При разряде

NiOOH + H 2 O + e − ⇒ Ni(OH) 2 + OH −

На электроде из никелевого сплава (отрицательный) протекает реакция:

При заряде

M + H 2 O + e − ⇒ MH + OH −-

При разряде

MH + OH − ⇒ M + H 2 O + e −

Суммарная реакция, протекающая в Ni─MH аккумуляторе, выглядит следующим образом:

При заряде

Ni(OH) 2 + M ⇒ NiOOH + MH

При разряде

NiOOH + MH ⇒ Ni(OH) 2 + M

При этом щелочной электролит не принимает участия в реакции образования тока.

После того, как при заряде аккумулятора до уровня 70─80 процентов на оксидно─никелевом запускается выделение кислорода в соответствии со следующей реакцией:

2OH − ⇒ 1/2O 2 + H 2 O + 2e −

На отрицательном электроде происходит реакция восстановления этого кислорода:

1/2O 2 + H 2 O + 2e − ⇒ 2OH −

Так описывается процесс перезарядки никель─металлогидридного аккумулятора. Эти реакции образуют собой замкнутую циркуляцию кислорода. В процессе восстановления кислорода происходит увеличение ёмкости металлогидридного электрода благодаря выделению группы ОН − .

Характеристики Ni-MH аккумуляторов

Основные параметры никель─металлогидридных и никель─кадмиевых аккумуляторов приводятся в следующей таблице.

Характеристика	Ni-Cd	Ni-MH	Ni-H2
Характеристика	Ni-Cd	Ni-MH	Ni-H2
Энергетическая плотность, Вт-ч/кг	45-80	60-120	-
Внутреннее сопротивление (при 6 В), мОм	100-200	200-300	-
Число циклов заряд-разряд до падения ёмкости 80 процентов от номинала	1500	300-500	2000-3000
Время быстрой зарядки, часы	1	2-4	-
Устойчивость к перезаряду	средняя	низкая	-
Саморазряд при комнатной температуре	20% в месяц	30% в месяц	20-30% за сутки
Номинальное напряжение, В	1,25	1,25	1,25
Оптимальный ток нагрузки	1С	до 0,5С	-
Пиковый ток нагрузки	20С	5С	-
Рабочая температура (разряд), С	от -40 до +60	от -20 до +60	от -20 до +30
Периодичность обслуживания (тренировка), дней	30-90	30-90	-
Появление в продаже	1950	1990	-
Срок службы, лет	1-5	1-5	2-7
Удельная энергия, Вт-ч/литр	60-120	100-270	60-80

Электрические характеристики

Ёмкость аккумулятора

При повышении нагрузки и понижении температуры ОС ёмкость никель─металлогидридного аккумулятора снижается в соответствии с графиком ниже.

Эффект снижения ёмкости особенно заметен при существенной скорости разряда в области отрицательных температур.

Номинальное разрядное напряжение

Номинальное разрядное напряжение (U р) обычно находится в пределах 1,2─1,25 вольта при токе разряда (I р), определяемом по формуле:

I p = 0,1─0,2С, где

С — номинальная ёмкость батареи при температуре 25 градусов Цельсия.

Конечное напряжение разряда составляет 1 вольт. Как можно видеть на графике ниже, напряжение снижается при возрастании нагрузки.

Напряжение разомкнутой цепи

Величину этого параметра Ni─MH аккумуляторов определить достаточно сложно. Это определяется тем, что равновесный потенциал оксидно─никелевого электрода во многом зависит от степени окисленности Ni.

Важную роль играет и равновесный потенциал отрицательного электрода, который определяется степенью насыщенности водородом. Спустя сутки после заряда батареи напряжение разомкнутой никель-металлогидридного аккумулятора находится в пределах 1,30─1,35 вольта.

Хранение и срок эксплуатации

Во время хранения Ni─MH аккумулятора, как и в случае других типов батарей, имеет место явление саморазряда. При комнатной температуре за первый месяц хранения такой аккумулятор теряет 20─30 процентов ёмкости. В дальнейшем каждый месяц ёмкость никель─металлогидридного аккумулятора падает на 3─7 процентов в месяц. Интенсивность саморазряда возрастает с ростом температуры, как можно видеть на графике ниже.

После приобретения зарядного устройства определенного типа многие сталкиваются с проблемой, как правильно осуществлять его подзарядку? Одним из основных видов являются никель-металлгидридные (NiMh) аккумуляторы. Они имеют свои особенности того, как их заряжать.

Как правильно заряжать NiMh аккумулятор?

Особенностью NiMh аккумуляторов считается их чувствительность к нагреву и перегрузке. Это может привести к отрицательным последствиям, которые сказываются на способности устройства держать и выдавать заряд.

Практически все батареи такого типа используют метод «дельта пик» (определение пика напряжения зарядки). Он позволяет обозначить момент окончания заряда. Свойство никелевых зарядных устройств состоит в том, что напряжение заряженного NiMh аккумулятора начинает снижаться на некоторую незначительную величину.

Каким током заряжать NiMh аккумулятор?

Метод «дельта пик» способен хорошо работать при токах заряда, составляющих от 0,3С и выше. Величина С применяется для обозначения номинальной емкости заряжаемого аа ni NiMh аккумулятора.

Так, для зарядного устройства с емкостью 1500 мАч метод «дельта пик» будет уверенно работать при минимальном токе заряда, равном 0,3х1500=450 мА (0,5 А). Если ток будет с меньшим значением, велика опасность того, что в конце заряда напряжение на батарее не начнет снижаться, а произойдет его зависание на определенном уровне. Это приведет к тому, что зарядное устройство не определит момент окончания заряда. Как следствие, не произойдет его отключение и продолжится перезаряд. Емкость аккумулятора будет уменьшаться, что отрицательно скажется на его работе.

В настоящее время практически все могут заряжаться током до 1С. При этом условием, которое должно соблюдаться, является нормальное воздушное охлаждение. Оптимальной считается комнатная температура (около 20⁰С). Осуществление заряда при температуре меньше 5⁰С и больше 50⁰С в значительной степени уменьшит срок работы аккумулятора.

Для продления срока эксплуатации никель-металлгидридного зарядного устройства можно порекомендовать хранить его с незначительным количеством заряда (30-50 %).

Таким образом, правильное проведение подзарядки никель-металлгидридного аккумулятора благоприятно отразится на его работе и поможет ему нормально функционировать.

Из опыта эксплуатации

NiMH элементы широко рекламируются, как элементы с высокой энергоемкостью, не боящиеся холода и не имеющие памяти. Купив цифровую фотокамеру Canon PowerShot A 610 , я естественно снабдил ее емкой памятью на 500 снимков высшего качества, а для увеличения продолжительности съемок купил 4 NiMH элемента емкостью 2500 ма* час фирмы Duracell .

Сравним характеристики выпускаемых промышленностью элементов:

Параметры		Ионно-литиевые Li-ion	Никель-кадмиевые NiCd	Никель- металл-гидридные NiMH	Свинцово-кислотные Pb
Длительность службы, циклов зарядки/разрядки		1-1,5 года	500-1000		3 00-5000
Энергетическая емкость, Вт*ч/кг
Ток разряда, мA*емкость аккумулятора
Напряжение одного элемента, В
Скорость саморазряда		2-5% в месяц	10% за первые сутки, 10% за каждый последующий месяц	в 2 раз выше NiCd	40% в год
Диапазон допустимых температур, градусы Цельсия	зарядки
	разрядки		-20... +65
Диапазон допустимых напряжений, В		2,5-4,3 (коксовые) , 3,0-4,3 (графитовые)			5,25-6,85 (для батарей 6 В), 10,5-13,7 (для батарей 12 В)

Таблица 1.

Из таблицы видим NiMH элементы обладают высокой энергетической емкостью, что делает их предпочтительными при выборе.

Для ихзарядки было куплено интеллектуальное зарядное устройство DESAY Full-Power Harger обеспечивающее зарядку NiMH элементов с их тренировкой. Элементы оно заряжались качественно, но... Однако на шестой зарядке оно приказало долго жить. Выгорела электроника.

После замены зарядного устройства и нескольких циклов заряд-разряд, аккумуляторы стали садиться на втором - третьем десятке снимков.

Оказалось, что не смотря на заверения, NiMH элементы тоже обладают памятью.

А большинство современных портативных устройств их использующих, имеют встроенную защиту, отключающую питание при достижении некоторого минимального напряжения. Это не позволяет выполнить полную разрядку аккумулятора. Тут и начинает играть свою роль память элементов. Не полностью разряженные элементы получают неполный заряд и их емкость падает с каждой перезарядкой.

Качественные зарядные устройства позволяют выполнять зарядку без потери емкости. Но что-то я не смог найти в продаже такого для элементов емкостью 2500маh . Остается периодически проводить их тренировку.

Тренировка NiMH элементов

Все написанное ниже не относится к элементам аккумуляторной батареи имеющим сильный саморазряд . Их можно только выбросить, опыт показывает, тренировке они не поддаются.

Тренировка NiMH элементов заключается в нескольких (1-3) циклах разрядки - зарядки.

Разрядка выполняется до снижения напряжения на аккумуляторном элементе до 1В. Желательно разряжать элементы индивидуально. Причина в том, что способность принимать заряд может быть различна. И она усиливается при зарядке без тренировки. Поэтому происходит к преждевременное срабатывание защиты по напряжению вашего устройства (плеера, фотоаппарата, ...) и последующей зарядке неразряженного элемента. Результат этого нарастающая потеря емкости.

Разрядку необходимо выполнять в специальном устройстве (Рис.3), которое позволяет выполнять ее индивидуально для каждого элемента. Если нет контроля напряжения, то разрядка выполнялась до заметного снижения яркости лампочки.

А если Вы засечете время горения лампочки вы сможете определить емкость аккумулятора, она вычисляется по формуле:

Емкость = Ток разрядки х Время разрядки = I х t (А * час)

Аккумулятор емкостью 2500 ма час способен отдавать в нагрузку ток 0,75 А в течении 3,3 часа, если полученное в результате разрядки время меньше, соответственно и меньше остаточная емкость. И при уменьшении емкости Вам необходимой надо продолжить тренировку аккумулятора.

Сейчас для разрядки элементов аккумуляторов я применяю устройство изготовленное по схеме показанной на рис.3.

Оно изготовлено из старого зарядного устройства и выглядит так:

Только теперь лампочек 4 штуки, как в рис.3. О лампочках надо сказать отдельно. Если лампочка имеет ток разрядки равный номинальному для данного аккумулятора или несколько меньший ее можно использовать как нагрузку и индикатор, иначе лампочка только индикатор. Тогда резистор должен иметь такую величину, чтобы суммарное сопротивление El 1-4 и параллельного ей резистора R 1-4 было порядка 1,6 Ом.Замена лампочки на светодиод недопустима.

Пример лампочки которая может быть использована в качестве нагрузки - это криптоновая лампочка для карманного фонаря на 2,4 В.

Особый случай.

Внимание! Производители не гарантируют нормальную работу аккумуляторов при зарядных токах превышающих ток ускоренной зарядки I зар должен быть меньше емкости аккумулятора. Так для аккумуляторов емкостью 2500ма*час он должен быть ниже 2,5А.

Бывает, что NiMH элементы после разрядки имеют напряжение менее 1,1 В. В этом случае необходимо применить прием описанный в приведенной выше статье в журнале МИР ПК. Элемент или последовательная группа элементов подключается к источнику питания через автомобильную лампочку 21 Вт.

Еще раз обращаю Ваше внимание! У таких элементов обязательно надо проверить саморазряд! В большинстве случаев именно элементы с пониженным напряжением имеют повышенный саморазряд. Эти элементы проще выкинуть.

Зарядка предпочтительна индивидуальная для каждого элемента.

Для двух элементов напряжением 1,2 В зарядное напряжение не должно превышать 5-6В. При форсированной зарядке лампочка одновременно является индикатором. При снижении яркости лампочки можно проверить напряжение на NiMH элементе. Оно будет больше 1,1 В. Обычно, эта начальная, форсированная зарядка занимает от 1 до 10 минут.

Если NiMH элемент, при форсированной зарядке в течении нескольких минут не увеличивает напряжение, греется - это повод снять его с зарядки и отбраковать.

Рекомендую применять зарядные устройства только с возможностью тренировки (регенерации) элементов при перезарядке. Если нет таких, то через 5-6 рабочих циклов в аппаратуре, не дожидаясь полной потери емкости, производить их тренировку и отбраковывать элементы имеющие сильный саморазряд.

И они Вас не подведут.

В одном из форумов прокомментировали эту статью " написано тупо, но больше ничего нет ". Так Вот это не"тупо", а просто и доступно для выполнения на кухне каждому кто нуждается в помощи. Т.е. максимально просто. Продвинутые могут поставить контроллер, подключить компьютер, ...... , но это уже другая история.

Чтобы не казалось тупо

Существуют "умные" зарядники для NiMH элементов.

Такой зарядник работает с каждым аккумулятор отдельно.

Он умеет:

1. индивидуально работать с каждым аккумулятором в разных режимах,
2. заряжать аккумуляторы в быстром и медленном режиме,
3. индивидуальный ЖК дисплей для каздого аккумуляторного отсека,
4. независимо заряжать каждый из аккумуляторов,
5. заряжать от одного до четырех аккумуляторов разной емкости и типоразмера (АА или ААА),
6. защищать аккумулятор от перегрева,
7. защищать каждый аккумулятор от перезарядки,
8. определение окончание зарядки по падению напряжения,
9. определять неисправные аккумуляторы,
10. предварительно разряжать аккумулятор до остаточного напряжения,
11. восстанавливать старые аккумуляторы (тренировка заряд-разряд),
12. проверять емкость аккумуляторов,
13. отображать на ЖК дисплее: - ток заряда, напряжение, отражать текущую емкость.

Самое главное, ПОДЧЕРКИВАЮ , данного типа устройства позволяют работать индивидуально с каждым аккумулятором.

По отзывам пользователей такое зарядное устройство позволяет восстановить большинство запущенных аккумуляторов, а исправные эксплуатировать весь гарантированный срок эксплуатации.

К сожалению я таким зарядником не пользовался, поскольку в провинции его купить просто невозможно, но в форумах Вы можете найти много отзывов.

Главное не заряжайте на больших токах, не смотря на заявленный режим с токами 0,7 - 1А, это все же малогабаритное устройство и может рассеять мощность 2-5 Вт.

Заключение

Любое восстановление NiMh аккумуляторов строго индивидуальная (с каждым отдельным элементом) работа. С постоянным контролем и отбраковкой элементов не принимающих зарядку.

И лучше всего заниматься их восстановлением с помощью интеллектуальных зарядных устройств, которые позволяют индивидуально выполнять отбраковку и цикл заряд - разряд с каждым элементом. А поскольку таких устройств автоматически работающих с аккумуляторами любой емкости не существует, то они предназначены для элементов строго определенной емкости или должны иметь управляемые токи зарядки, разрядки!