Никель-кадмиевые аккумуляторы
Никель-кадмиевые аккумуляторы (Nicel-Cadmium Battery, сокр. NiCd) используются в сотовых телефонах, радиостанциях, радиотелефонах, мощных ручных инструментах.
Среди перезаряжаемых батарей никель-кадмиевые до сих пор остаются наиболее востребованным типом батарей, применяе-мых в качестве источника питания радиостанций, аппаратуры скорой медицинской помощи, профессиональных видеокамер и электроинструментов. Они «любят» быстрый заряд, медленный разряд до состояния полного разряда и подзарядку импульсами тока, в то время как батареи других типов предпочитают частичный разряд и умеренные токи нагрузки. Никель-кадмиевая батарея — сильный, усердный и молчаливый работник. Это единственный тип батарей, которые способны работать в самых жестких условиях. Рразрядный ток допускается в широких пределах, причем данный тип аккумуляторов дает максимальные токи разряда по сравнению с остальными рассмотренными, при заряде допускается перезаряд и недозаряд. В настоящее время эти батареи составляют примерно 50 % всех аккумуляторных батарей, выпускаемых для портативного оборудования. Однако они начинают уступать первенство батареям новых типов, имеющих более высокие энергетические плотности и в которых используются менее токсичные металлы и соединения.
Сохраняют устойчивую работоспособность в условиях низких температур и при воздействии вибраций и ударов.
Напряжение одного заряженного никель-кадмиевого аккумулятора равно 1,3 В, разряженного – 1 В. Емкость аккумулятора при напряжении 1 В, как правило, израсходована не полностью, однако разряжать его дальше не следует. Глубокий разряд никель-кадмиевого аккумулятора (до напряжения 0,4—0,5 В) производят только в профилактических или «лечебных» целях. Дело в том, что в процессе эксплуатации никель-кадмиевого аккумулятора происходит постепенное увеличение размера зерен активной массы, следствием которого является снижение рабочей емкости а, в перспективе – выход из строя аккумулятора по причине разрушения межэлектродного сепаратора и катастрофического увеличения утечки (эффект памяти). Увеличение размера зерен активной массы происходит тогда, когда аккумулятор попадает в зарядное устройство будучи не полностью разряженным. Это необходимо учитывать при эксплуатации никель-кадмиевых аккумуляторов и батарей. Для снятия эффекта памяти используют глубокий разряд, в процессе которого происходит уменьшение размера зерен активной массы и восстановление емкости аккумулятора. Таким образом, глубокий периодический разряд является лечебно-профилактическим средством, благотворно сказывающимся на «здоровье» никель-кадмиевого аккумулятора.
Рис. 8. Устройство никель-кадмиевого аккумулятора
Рис. 9. Конфигурации аккумуляторных батарей GP и соответствующие им коды.
При заряде (левая часть формулы) и разряде (правая часть) никель-кадмиевой батареи протекают химические реакции:
Cd + 2NiOOH + 2Н2О <--> Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2.
Срок службы
В случае нормальной эксплуатации срок службы никель-кадмиевых аккумуляторов находится в пределах 500 – 600 циклов заряд-разряд, после чего емкость аккумулятора снижается примерно на половину. Однако согласно данным ряда исследований, благодаря регулярному глубокому периодическому разряду срок службы аккумуляторов увеличивается до 2000 циклов заряд-разряд и более.
Хранение
Хранить такие аккумуляторы можно при любой степени заряда.
Тренировка
Для никель-кадмиевых батарей крайне необходим полный периодический разряд: если его не делать, на пластинах элементов формируются крупные кристаллы, существенно снижающие их емкость (так называемый «эффект памяти»).
Методика заряда
Для заряда никель-кадмиевых аккумуляторных батарей можно использовать один из трех методов заряда (по скорости заряда) в той или иной его вариации:
• нормальный или медленный заряд (Slow Charge);
• быстрый заряд (Quick Charge);
• скоростной заряд (Fast Charge).
Нормальный заряд заряжает батарею в течение 6—12 часов и рассмотрен в этой работе не будет.
Метод быстрого заряда основан на заряде постоянным током с последующим переключением в режим струйной подзарядки.
В зарядных устройствах, работающих по методу быстрого заряда, отключение батареи по окончании заряда производится путем контроля напряжения на ней. Как только оно достигнет определенной величины, произойдет переключение батареи в режим струйной подзарядки.
При таком способе заряда необходимо учитывать и влияние температуры окружающей среды. Для этой цели в цепь управления компаратора включен термистор RT. Для того чтобы защитить батарею от перезаряда и перегрева, имеется два устройства защиты — таймер и термопредохранитель, установленные внутри ее корпуса.
Метод быстрого заряда используется только для заряда никель-кадмиевых батарей. В настоящее время он практически не применяется по той причине, что очень трудно согласовать батарею с зарядным устройством: для разных батарей напряжение отключения различно. Поскольку подобрать его трудно, возможен как недозаряд, так и перезаряд батареи, а это недопустимо.
Временная характеристика работы устройства быстрого заряда приведена на рис. 10.
Рис. 10. Временная характеристика работы устройства быстрого заряда
Для никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей лучше всего применять метод скоростного заряда (Fast Charge). Нормальный (медленный) заряд приводит к кристаллизации элементов батареи, что снижает их емкость и срок службы. Не-смотря на то, что для борьбы с эффектом памяти (уменьшение емкости из-за кристаллизации аккумуляторов) применяют спе-циальные методы, которые позволяют восстановить емкость ба-тареи, срок ее службы при этом все равно снижается. Темпера-тура батареи при заряде должна быть умеренной, а нахождение ее при максимально допустимой температуре должно быть как можно меньше.
Рис. 11. Временная характеристика ΔV-заряда Скоростной заряд током 0,5С (t=10...40º C)
Батареи этих типов не рекомендуется оставлять в зарядном устройстве более чем на несколько дней, даже при правильно установленной величине тока в режиме струйной подзарядки. Для борьбы с эффектом памяти необходимо один раз в месяц производить контрольно-тренировочный цикл (КТЦ) — полностью разрядить батарею током нормального разряда, а затем немедленно зарядить ее.
Наиболее точным и надежным способом управления процессом заряда никель-кадмиевых и никель-металлгидридных батарей является способ управления зарядом при помощи микроконтроллера, который осуществляет мониторинг напряжения батареи и отключает ее при его характерном изменении. Таким характерным изменением является резкое незначительное снижение напряжения на батарее в конце заряда. Его называют отрицательным дельта V (в англоязычной технической литературе — Negative Delta V, или сокращенно NDV). В отечественной литературе такой метод заряда называют методом отрицательного ΔV-заряда, подчеркивая небольшое падение напряжения в конце заряда, или просто методом ΔV-заряда. Снижение напряжения в конце заряда для никель-кадмиевых батарей составляет 10...30 мВ на элемент.
Метод ΔV-заряда особенно хорошо использовать для определения времени конца заряда в зарядных устройствах герметичных никель-кадмиевых батарей, поскольку он обеспечивает быстрое время отклика. Хороших результатов при его использовании добиваются и при подзарядке частично или полностью заряженных батарей. При включении на зарядку, например, полностью заряженной батареи напряжение на ней сначала резко возрастет, а затем сразу же резко снизится, что приведет к прерыванию процесса заряда. Такой цикл продлится всего лишь несколько минут, в течение которых батарея не успеет нагреться. Чем лучше зарядное устройство «чувствует» ΔV, тем качественнее произойдет процесс заряда. На рис. 11. изображена временная характеристика ΔV-заряда.
Если характеристика на рис. 11. отображает всего лишь принцип ΔV-заряда, то на рис. 12. изображена реальная характеристика ΔV-зарядного устройства. Из нее видно, что процесс заряда начинается с инициирующего (начального) заряда током около 0,2С. Он особенно необходим, если батарея полностью разряжена. После этого этапа наступает этап скоростного заряда. 
Рис. 12. Реальная характеристика работы скоростного ΔV-зарядного устройства
В его начальной части имеет место незначительное падение напряжения (-ΔV), но автоматика отключения не срабатывает, т. к. она настроена так, что в течение 5 мин с момента начала скоростного заряда не реагирует на отрицательное изменение напряжения заряда. В конце заряда на батарее наблюдается падение напряжения из расчета 15...20 мВ/элемент, которое служит сигналом для выключения режима скоростного заряда и перехода в режим струйной подзарядки током 0,05С в течение 15 ч, после чего батарея отключается от цепи заряда полностью. Струйная подзарядка компенсирует ее саморазряд. Сама батарея готова к использованию практически сразу же после завершения скоростного заряда. Если элементы батареи плохо согласованы, перепад напряжения -ΔV может иметь малое значение, недостаточное для переключения зарядного устройства в режим струйной подзарядки. В этом случае предусмотрено его принудительное переключение в этот режим по достижении напряжения на элементе 1,95 В.
Чтобы падение напряжения на батарее в конце заряда было достаточным для определения этого порога, ток заряда должен составлять не менее 0,5С. Если он меньше 0,5С, падение напряжения становится таким незначительным, что его трудно измерить, особенно если элементы батареи плохо согласованы. В батарее с несогласованными элементами каждый из них достигает состоянии полного заряда в разные промежутки времени, и величина перепада напряжения -ΔV в конце заряда батареи в целом становится менее ярко выраженной, процесс заряда не останавливается, и в результате батарея перегревается, происходит ее перезаряд. Поэтому, кроме анализа -ΔV, в зарядном устройстве, должны быть предусмотрены и другие способы прерывания процесса заряда (например, при нагреве батареи до пороговой температуры должно сработать устройство термозащиты.
Наиболее совершенные зарядные устройства никель-кадмиевых батарей имеют термодатчик, контролирующий скорость нарастания температуры батареи, которую часто обозначают как ΔT/Δt (T — температура; t — время; А означает приращение), а метод заряда, при котором обеспечивается слежение за скоростью нарастания температуры батареи — методом ΔТ-заряда (дельта Т-заряда). Такой метод заряда более эффективен, чем отключение батареи при достижении ее пороговой температуры. Отключение происходит в том случае, если повышение температуры достигнет 1 °С/мин. Абсолютный порог срабатывания защиты от перегрева устанавливают равным 60 °С. Суть метода заключается в том, что в конце заряда происходит более интенсивный нагрев батареи. Из-за относительно большой массы ее элементов батарея очень короткий промежуток времени работает в условиях процесса перезаряда, пока не произойдет ее отключение. Метод ΔТ-заряда используется только в зарядных устройствах скоростного заряда.
Перезаряд особенно губительно воздействует на батарею, если по окончании заряда ее принудительно отключают, а затем снова подключают к зарядному устройству. Это характерно для аккумуляторных батарей радиостанций, трубок радиотелефонов, которые часто вынимают, затем снова вставляют в базовое или автомобильное зарядное устройство. При каждой такой операции инициируется цикл скоростного заряда при его высоком начальном токе. То же самое характерно и для аккумуляторных батарей ноутбуков. Пользуясь ноутбуком, как переносным прибором, специалист, часто не задумываясь, подключает его к сетевому источнику питания, являющемуся одновременно и зарядным устройством, а затем отключает. То же самое происходит и при использовании ноутбука при обслуживании электрооборудования современных автомобилей.
Частые подключения к внешнему источнику питания устройства с никель-кадмиевыми или никель-металлгидридными батареями делает их «глухими». Другими словами, через какое-то время они перестают «чувствовать» связь с зарядным устройством. Зарядные устройства литий-ионных батарей умеют определять степень заряда батареи (SoC — State-of-Charge), поэтому многократные подключения, например, ноутбуков с такими батареями, не приведет к срыву процесса заряда в какой-то момент.
Эффективность заряда стандартных никель-кадмиевых батарей при скоростном заряде (ток заряда 1С) составляет 91 %, а при медленном (ток заряда 0,1С) — 71 %. Время скоростного заряда обычно — около одного часа. Если батарея разряжена частично или ее емкость в результате эффекта памяти уменьшилась, время заряда сокращается. При нормальном (медленном) заряде его время составит около 14 ч.
В течение первых 70 % времени цикла заряда никель-кадмиевая батарея заряжается почти до 100 % своей емкости. Несмотря на то, что батареей была поглощена определенная энергия, ее нагрев не происходит. Начальный зарядный ток никель-кадмиевых батарей может составлять несколько значений С без угрозы их перегрева. Этот феномен использован в ультраскоростных устройствах заряда, в которых заряд батареи до 70 % ее емкости происходит в считанные минуты. Далее он продолжается при более низких значениях тока заряда, пока батарея не зарядится полностью.
По достижении порога емкости в 70 % батарея существенно утрачивает способность запасать энергию. Ее элементы начинают выделять газы. Давление их внутри корпуса увеличивается, температура батареи растет. По достижении емкости 80...90 % ее способность запасать энергию снижается еще больше. По достижении состояния полного заряда начинается перезаряд батареи. При заряде током 1С и более никель-кадмиевые батареи сверхбольшой емкости имеют тенденцию к большему нагреву, чем стандартные батареи. Оптимальных зарядных характеристик можно добиться, если на начальном этапе процесса заряда заряжать батарею большим током, а затем, по мере снижения способности батареи запасать энергию, этот ток уменьшать. Таким образом, можно избежать существенного нагрева аккумуляторной батареи и добиться ее полного заряда.
Если после каждого импульса зарядного тока будет следовать импульс тока разряда, это улучшит способность батареи запасать энергию. Такой метод заряда, иногда называемый методом «обратной нагрузки», а чаще всего — реверсивным зарядом, обеспечивает увеличение активной площади пластин. В результате увеличиваются энергоемкость батареи и срок ее службы. Метод обратной нагрузки также улучшает процесс скоростного заряда, т. к. способствует рекомбинации газов, выделяемых в процессе заряда. В итоге заряд сопровождается меньшим выделением тепла и становится более эффективным, чем при заряде постоянным (не импульсным) током. Более того, исследования выявили еще одно преимущество этого метода: он существенно снижает опасность кристаллизации никель-кадмиевых аккумуляторов и увеличивает срок их службы примерно на 15 %.
После полного заряда никель-кадмиевая батарея переходит в режим струйной подзарядки для компенсации ее саморазряда. Ток заряда в этом режиме составляет 0,033...0,05С. С целью ослабления эффекта памяти величину этого тока стараются подбирать как можно меньшей.
В итоге рекомендуемый специалистами оптимальный метод заряда можно назвать комбинированным: Если напряжение на элементах меньше 0,8 В, начинается инициирующий струйный заряд током 0,2...0,ЗС, как правило до 10 мин. После того как напряжение на элементах достигнет значения 0,8 В, можно начинать скоростной заряд током 1 C с постепенным уменьшением до 0,5С с контролем по ΔV, ΔТ, а также c использованием устройства отключения батареи при достижении порогового значения температуры (метод температурной отсечки) и отключения по сигналу таймера. Отключение батареи в процессе заряда происходит по первому сигналу от любого из перечисленных устройств. Для температурного контроля отключение происходит в том случае, если скорость роста температуры достигнет 1 °С/мин. При этом абсолютный порог срабатывания защиты от перегрева составляет 60 °С. После окончания заряда осуществляется подзарядка током 0,1 С в течение 30 мин для обеспечения максимальной емкости батареи, а затем начинается процесс струйной подзарядки током 0,033...0,05С.
Временной график скоростного заряда характеризуется тем, что заряд начинается током 1С, и при достижении пиковых значений напряжения батарея для охлаждения отключается на несколько минут, после чего заряд происходит при меньшем значении тока. Таким образом, заряд происходит несколькими ступенями при ступенчатом снижении его тока.
Такой метод заряда, известный еще под названием «дифференциально-шаговый заряд», хорошо подходит для заряда как никель-металлгидридных, так и никель-кадмиевых аккумуляторных батарей. В ходе его ток заряда изменяется в соответствии со степенью заряда батареи (State of Charge или SoC) и в начале заряда имеет большое значение, которое постепенно снижается до умеренных величин. Это позволяет предупредить перегрев батареи в конце цикла заряда, когда ее способность запасать энергию резко снижается.
Преимущества и недостатки
Преимущества никель-кадмиевых аккумуляторных батарей:
• возможность быстрого и простого заряда, даже после дли тельного хранения;
• большое число циклов заряд/разряд: при правильной эксплуатации — более 1000 циклов;
• хорошая нагрузочная способность и возможность работы при низких температурах;
• длительные сроки хранения при любой степени заряда;
• простота хранения и транспортировки (многие авиакомпании по перевозке грузов не предъявляют к таким батареям никаких дополнительных требований);
• сохранение высокой емкости при низких температурах;
• наибольшая приспособленность для работы в жестких условиях эксплуатации;
• низкая цена;
• широкий выбор батарей различного конструктивного исполнения и емкости (большинство элементов таких бата рей цилиндрические).
Недостатки никель-кадмиевых аккумуляторных батарей:
• относительно низкая по сравнению с новыми типами аккумуляторных батарей энергетическая плотность;
• присущий этим батареям эффект памяти и необходимость проведения периодических работ по его устранению;
• токсичность применяемых материалов, что отрицательно сказывается на экологии, и некоторые страны ограничивают использование батарей этого типа;
• относительно высокий саморазряд — после хранения обязателен цикл заряда.
|
