1 Аналітичний огляд

1.1. Огляд методів заряджання

Широке поширення герметичних Ni-Cd (дискових і циліндричних) акумуляторів обумовило і великий інтерес до питань їхньої експлуатації, методам і пристроям для їхньої зарядки. На ці теми було опубліковано чимало статей. В останні роки, у зв'язку з появою нової побутової техніки, що працює від акумуляторних батарей (АБ), інтерес до цієї теми значно зріс.

Однак статей, присвячених експлуатації акумуляторів, не так багато. Причина такого положення цілком об'єктивне: проведення досліджень по експлуатації АБ — заняття дуже тривале і трудомістке. І в повному обсязі воно непосильне для радіоаматорів.

Це, звичайно ж, не означає, що радіоаматорам не слід займатися подібного роду роботами — просто до отриманих результатів варто відноситися критично і не робити узагальнень на основі одиничних результатів.

Характерний приклад — широко відомий метод зарядки акумуляторів асиметричним струмом. Про його достоїнства усім було добре відомо, неясним залишалася лише одна дрібниця — звідкіля він узагалі взявся, що з'явилося першоджерелом.

Ще один приклад — метод Вудбриджа, на який так часто посилаються. Він був розроблений у ті роки, коли для потреб автомобільної промисловості, що розвивається, почався масовий випуск акумуляторів і питання їхньої експлуатації стали настільки актуальними, що зажадали залучення науки. Ця методика була створена для конкретних (кислотних) акумуляторів, і обґрунтування для розширення області її застосування невідомі. Іншими словами, застосування цієї методики для інших акумуляторів нічим не обґрунтовано.

У підсумку ситуація сьогодні стала настільки заплутаною, що розібратися в ній стало просто нереально. Це підтверджують і сумлінно проведені деякими авторами огляди по темі і спроби одержати на його основі практичні висновки — автори навіть не зауважують протиріч у джерелах, на яких вони посилаються.

Основна характеристика електричних акумуляторів — кількість запасеної в них енергії, для виміру якої звичайно застосовують позасистемну одиницю виміру — квт-год чи кратні їй значення.

На практиці зручніше користуватися іншою характеристикою акумуляторів — запасеним у них зарядом. Її звичайно називають ємністю. У системі СІ заряд вимірюють у кулонах (1 Кл = 1A x 1с), але частіше користаються також позасистемною одиницею виміру — А*год, а для акумуляторів невеликої ємності — мА*год. До цього параметра настільки звикли, що найчастіше забувають (чи взагалі не знають), що основним показником акумулятора є все-таки кількість запасеної енергії, а не ємність.

Зв'язок між енергією Е акумулятора і ємністю С визначається найпростішою формулою: Е =С х Ucр, де Ucp — середня напруга акумулятора. Цей вираз забезпечує достатню для практики точність. Більш точно енергію обчислюють через інтеграл.

Номінальною ємністю називають типове значення, що приводиться в характеристиках акумуляторів. Вона, у першу чергу, визначається конструкцією акумулятора і технологією виготовлення. Саме остання причина (точніше, технологічний розкид при виготовленні) приводить до того, що ємність акумуляторів, навіть в одній партії випуску, має розкид, що доходить до двох і більш раз. У літературі іноді вказують, що АБ збирають із близьких по ємності акумуляторів, але в умовах масового виробництва це, звичайно, просто нереально.

У процесі експлуатації напруга акумулятора зменшується від максимального до мінімального. Мінімальним називають напругу, при якій енергія, що залишилася, (заряд) акумулятора незначна і подальша експлуатація недоцільна, оскільки при цьому ще і різко знижується напруга (при повній розрядці воно дорівнює нулю). Для Ni-Cd акумуляторів мінімальна напруга складає близько 1 В, і це значення — чіткий критерій завершення розрядки. Таким чином, робочою областю для акумулятора є інтервал напруг від максимального до мінімального. У робочій області залишок енергії (заряду) орієнтовно можна визначити по напрузі на акумуляторі.

Номінальною називають напругу, середню між максимальним і мінімальним; саме його звичайно і приводять у довідкових даних на акумулятор. Для Ni-Cd акумуляторів ця напруга складає приблизно 1,2 В.

Номінальна напруга акумулятора, як і будь-якого іншого гальванічного елемента, визначається тільки його електрохімічною системою, тобто гальванічною парою й електролітом. Змінити це значення конструктивно чи технологічно неможливо.

По закінченні зарядки і відключенні зарядного пристрою напруга акумулятора (Una) максимально і складає приблизно 1,43...1,45 В. Вона швидко знижується і через 10...25 хв досягає стабільного значення, рівного 1,37...1,39 В, Розкид цих значень в основному обумовлений погрішністю вимірів, але велика точність і не потрібна.

Основна проблема експлуатації акумуляторів зв'язана з їхньою зарядкою й обумовлена відсутністю надійного критерію її закінчення. Використання для цієї напруги на акумуляторі малоефективно, оскільки воно може бути досягнуте ще до повної зарядки. Цей критерій часто застосовувався в аматорських конструкціях. В останніх публікаціях указують, що одного критерію недостатньо, потрібні додаткові, і в якості одного з них пропонують вимір температури акумулятора. Температура — важливий параметр, оскільки вона дозволяє визначити, куди "іде" електроенергія — на зарядку чи на нагрівання, тобто дозволяє визначити стан акумулятора, але аж ніяк не ступінь його заряженості. До цього ще можна додати, що за інших рівних умов у великому ступені буде виявлятися вплив температури навколишнього середовища.

З викладеного можна зробити висновок — сьогодні надійних критеріїв закінчення зарядки не існує. Точніше, один такий критерій усе-таки є, і про нього буде сказано нижче, але при всій його зовнішній простоті реалізація його дуже проблематична.

Відсутність надійних критеріїв закінчення зарядки, безумовно, прикро, оскільки не дозволяє забезпечити повний заряд акумулятора. Але адже акумулятори десятки років успішно експлуатувалися. І перше питання, що виникає, — а наскільки реально необхідний, дійсно, повний заряд? У реальних умовах різниця в ємності до 15 % практично невідчутна, а це значно менше розкиду по ємності в різних екземплярів.

Конструкція герметичних акумуляторів виконана так, що герметизація забезпечується тиском газів усередині корпуса. При зарядці цей тиск зростає, і якщо воно досягне границі текучості матеріалу корпуса, акумулятор здувається. При цьому порушуються контакти, що приводить до повного виходу акумулятора з ладу. Для дискових акумуляторів іноді можливе відновлення працездатності — їх треба зжати в тисках (через ізолюючу прокладку) до колишніх розмірів. У більш важких випадках акумулятори розкриваються (тихий вибух), і відновити їх неможливо. Тиск газів може служити надійним критерієм закінчення зарядки, у всякому разі, воно дозволяє визначити границю, за якою подальша зарядка стає небезпечною. Але практична реалізація цього способу проблематична навіть для акумуляторів великої ємності, а для малої — просто нереальна.

У процесі розрядки тиск падає, і при напрузі нижче мінімальної воно може знизитися до рівня, що не забезпечує герметичність, що призведе до витікання електроліту. Крім інших неприємностей, що витік електроліт шунтує електроди акумулятора, після чого через поверхневі витоки збільшується струм саморозрядження. Тривале збереження вирядженого акумулятора виводить його з ладу.

Відомо, що акумулятори, що довго не працювали, утрачають ємність і працездатність. Відновити їх можна за кілька циклів зарядки-розрядки. При цьому не має значення, як саме це зробити — "пожвавлення" відбудеться в будь-якому випадку.

З часом відбуваються природні процеси старіння і характеристики акумуляторів погіршуються. Термін служби акумуляторів звичайно 3...5 років, але при нормальній експлуатації вони надійно працюють по 10 і більш років.

На практиці найбільш розповсюджений так називаний стандартний режим зарядки — в акумулятор "накачують" 150% номінальної ємності, заряджаючи його протягом 15 год струмом 0,1C.

ККД акумуляторів, тобто відношення енергії, що віддається, до отриманого, з ряду причин визначити дуже складно, тому цей показник звичайно не приводиться. Для невеликих акумуляторів він узагалі несуттєвий, оскільки втрати в зарядному пристрої свідомо більші. Сугубо орієнтовно його можна визначити виходячи з приведеного вище стандартного режиму зарядки — 0,65 (65 %).

Стандартний режим прекрасно себе зарекомендував на практиці, і саме його можна вважати еталонним. Реалізуючий його зарядний пристрій може бути гранично простим і містити випрямний діод і резистор, що гасить. Достоїнством методу є і те, що він здатний заряджати навіть "напівживі" акумулятори. Разом з тим він має і два істотних недоліки: тривалий час зарядки і небезпека перезарядження. Правда, останнє зв'язано вже не зі способом, а з людиною — найчастіше просто забувають вчасно відключити зарядний пристрій.

У цього способу є тільки один неясний момент — відкіля взялася ця 0,1C? Чіткої відповіді немає, і за давниною років її навряд чи можливо одержати, тому залишається лише припустити, що такий режим був обраний просто з компромісних розумінь. При меншому зарядному струмі неприпустимо зростав час зарядки (при 0.05С — 30 годин), а при більшому необхідно було збільшити потужність зарядного пристрою і, відповідно, його габарити, вагу і ціну. Проведені автором експерименти з АБ 7Д-... показали, що зарядка струмом, рівним ємності акумулятора, не приводить до його ушкодження.

Дуже цікавим і перспективним є метод зарядки акумуляторів від джерела стабільної напруги. Для визначеності назвемо його зарядкою стабільною напругою (ЗСН).

Цілком виключити перезарядження можливо, застосовуючи метод ЗСН, рівним максимальній напрузі акумулятора. На початку зарядки струм максимальний, через короткий час у більшості випадків він ще небагато зростає (видимо, знижується внутрішній опір акумулятора). Потім, у міру зарядки акумулятора і збільшення його напруги, струм зменшується і наприкінці зарядки асимптотчно підходить до нуля, точніше — до струму саморозрядження акумулятора. При зарядці цілком розрядженого акумулятора початковий кидок токи може бути неприпустимо великим і його варто обмежити, наприклад, включенням у зарядний ланцюг струмообмежуючого резистора.

Основний недолік цього метод - він забезпечує заряд у 60...70 % від номінальної ємності. Тому застосовувати його доцільно для акумуляторів резервного живлення, наприклад, в електронних годинник. Деяке зниження ємності акумулятора для таких пристроїв не має істотного значення, набагато важливіше забезпечити тривалу і надійну його роботу. Цей спосіб доцільно застосовувати і тоді, коли потрібно за 15...20 хв привести акумулятор у робочий стан.

Причина, по якій такий режим не забезпечує повної зарядки акумуляторів, цілком очевидна — необхідне збільшення напруги літанія. При цьому зарядний струм асимптотично прагне не до нуля, а до деякого мінімального значення. Ця, власне кажучи, стабілізація зарядного струму і може служити критерієм закінчення зарядки. Є й інший, більш надійний і простий у реалізації критерій — зниження зарядного струму до значення, близького до мінімального. Для практичної реалізації запропонованого методу необхідно експериментально підібрати режим зарядки для конкретного акумулятора: визначити зарядну напругу і струм закінчення зарядки.