FERRMA: Накопители силы

Автор: Юрий Ревич

В 2001 году, проработав года два, сдох аккумулятор первого в моей жизни мобильника (какого-то из дешевых "Сименсов"). Тогда я предпочел самостоятельный его ремонт (аккумулятор содержал три типовых никель-металлгидридных ААА-элемента), на чем сэкономил более чем вдвое - элементы обошлись мне в триста "деревянных", а новый аккумулятор в сборе стоил семьсот. С тех пор многое изменилось.

Для начала - гораздо быстрее, чем сдохли новые элементы, морально устарел мобильник. Для продолжения - практически все мобильники нынче комплектуются литий-ионными аккумуляторами, которые, во-первых, держатся существенно дольше, а во-вторых, неремонтопригодны. И для окончания: покажите мне сейчас человека, который будет покупать новый аккумулятор вместо того, чтобы просто сменить мобильник. Даже учитывая, что стоимость запасных батарей с тех времен заметно снизилась.

Тем не менее аккумулятор стоит беречь, и не только у мобильников. Сейчас просто бум какой-то на автономные устройства - недавно рассматривал стенд фирмы DeWalt, изготовителя профессионального (без кавычек) электроинструмента, на котором были представлены, кроме привычных отверток-дрелей-шуруповертов, аккумуляторные дисковые пилы, перфораторы и даже экзотическое устройство под названием "гвоздезабиватель" (не, представьте, до чего техника дошла - обыкновенный молоток, оказывается, тоже можно электрифицировать).

Все подобные устройства испытывают огромные пиковые нагрузки. Чтобы мобильные инструменты не сильно отставали по мощности от своих привязанных к розетке собратьев, аккумуляторы должны обладать особыми свойствами. Совсем другими свойствами должны обладать, к примеру, батареи для ноутбуков - там перегрузочная способность не так важна, зато на первый план выходит долговечность и способность держать заряд при хранении. Потому каждый тип аккумуляторных батарей годится в своей области, а уход за ними может существенно различаться.

Аккумуляторы встречаются кислотные, щелочные, никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMh), литий-ионные (Li-Ion) и еще попадаются какие-то литий-полимерные (Li-Pol). Кроме перечисленных, существует море разновидностей (в принципе любая электрохимическая реакция обратима и может использоваться как для выработки электрического тока, так и для его "складывания про запас"), но в ширпотребовских продуктах доминируют именно эти типы. Давайте попробуем разобраться, что здесь к чему.

Правильнее называть их свинцовокислотными (Lead-Acid) аккумуляторами(СКА), поскольку других кислотных, кроме как на основе свинца, в быту вы не встретите. Это, вероятно, самая древняя разновидность аккумуляторов - первый работоспособный СКА был создан аж в 1859 году.

В начале ХХ века выяснилось, что именно этот тип аккумуляторов неплохо подходит для того, чтобы крутить стартер автомобиля, и с тех пор их производят миллионами. Еще лет двадцать назад автомобильные аккумуляторы были весьма капризными и даже вредными для здоровья - конструкторы никак не могли справиться с выделением газов, сопровождающим процесс заряда. Из-за этого СКА приходилось делать негерметичными, а электролитом в них, между прочим, служит серная кислота, которую периодически требовалось доводить до нужной плотности дистиллированной водой - занятие, мягко говоря, небезопасное. С тех пор СКА значительно облагородились, стали герметичными и необслуживаемыми, но в основе они всё те же, что тридцать и пятьдесят лет назад. У них устрашающе низкая удельная емкость (30–50 Втч/кГ в самых лучших образцах) и отвратительные эксплутационные качества: они боятся глубокого разряда, отчего в процессе хранения их надо все время подзаряжать, и недолговечны, предельное число циклов заряд-разряд не выше 300 (впрочем, в условиях идеальной эксплуатации могут вытянуть и до 500).

С другой стороны, именно у СКА из всех перечисленных типов самая высокая перегрузочная способность - стартерная батарея даже на морозе без особых усилий отдает ток в несколько сотен ампер, необходимый для того, чтобы прокрутить холодный двигатель. К тому же СКА дешевы и относительно неплохо держат заряд: хороший автомобильный аккумулятор разряжается в среднем на 5% за месяц или на 50% за год.

Не удивляйтесь, что я посвящаю СКА столько места в компьютерном журнале: дело в том, что аккумуляторы этого типа традиционно используются в бесперебойных источниках питания. Поскольку там они пребывают в тепличных условиях (постоянно подзаряжаются), то срок службы батареи в ИБП может достигать пяти-семи лет.

СКА заряжать довольно просто (они не слишком боятся перезаряда), но делать это самостоятельно приходится разве что счастливым обладателям продукции отечественного автопрома, да и то в последнее время все реже и реже - по крайней мере, автоматические зарядники для стартерных СКА доступны каждому.

Помню, лет пятнадцать-двадцать назад в автомобильной прессе периодически возникало брожение на тему скорого пришествия щелочных аккумуляторов. Щелочь, конечно, тоже не сахарный сироп, но и не серная кислота, которая запросто может проесть дыру в моторном отсеке, а заодно и в ладонях кинувшегося спасать любимую игрушку автолюбителя: был не только свидетелем случая с одним человеком, который искалечил кислотой себе руки, но и сам ношу на ноге обширный шрам в память о собственном пренебрежении первейшей "химической" заповедью - лить кислоту в воду, а не наоборот.

Но в этом направлении мало что изменилось - в автомобильной промышленности щелочные аккумуляторы применяют разве что в электромобилях, а стартерные батареи так и остались СКА-типа. У NiCd-аккумуляторов есть три крупных недостатка. Первый - относительно малая удельная энергоемкость (хотя и несколько большая, чем у СКА) - 45–60 Втч/кГ. Второй - нелюбовь к зарядке не с нуля, так называемый эффект памяти. Правильный режим зарядки NiCd-аккумуляторов - сначала полная разрядка (формально - до напряжения 1 В на элемент), а потом уже полная зарядка. Потому для NiCd-аккумуляторов рекомендуется вырабатывать заряд до полного "умирания" девайса - редкие зарядные устройства позволяют себе тратить время на предварительную разрядку (помнится, в камере Fuji S20 даже имелся специальный режим для полной разрядки батареи).

"Фирменная" зарядка производится до достижения определенного напряжения вкупе с контролем температуры (так работают, например, зарядники к дорогому электроинструменту). Более простой способ - заряжать определенным током по времени. Это лишний аргумент за то, чтобы предварительно разряжать батарею, потому что иначе определить необходимое время затруднительно (см. врезку); правда, и умеренной перезарядки NiCd-аккумуляторы боятся меньше, чем NiMh.

В быту обычно приходится самостоятельно заряжать универсальные аккумуляторы - пальчиковые NiMh или, изредка, NiCd-разновидности. В любом случае лучше не использовать дешевый блок зарядки без автоматики, внутри которого только и есть, что диод да ограничивающий ток резистор. Взрываться такие аккумуляторы скорее всего не станут, а вот перезаряда они не любят и быстро этого портятся (NiCd, в частности, имеют привычку при регулярной перезарядке вздуваться). Если все же вам жаль потратить на приличный "интеллектуальный" зарядник фирмы AcmePower или Sony тысчонку-полторы рубликов, покупайте хотя бы такой, который имеет таймер для своевременного выключения. Правда, таймер обычно рассчитывается на "среднепотолочную" емкость, но в описании к заряднику должно быть указано, на какую емкость номинально он рассчитан.

Как правильно рассчитать время заряда, если у вас нет "умного" зарядника или емкость отличается от номинальной? Просто поделите емкость аккумулятора (в мАч) на зарядный ток, который выдает ваше устройство (в мА), и получите время в часах, которое нужно умножить примерно на 1,3–1,4. Обычный "универсальный" режим заряда, который не может повредить никакому аккумулятору (о литиевых особый разговор), предполагает зарядку током 0,1 от емкости - например, АА-тип емкостью 2000 мАч надо заряжать 13–14 часов током 200 мА. Если емкость отличается от номинальной, то пересчитать время нетрудно. Разумеется, этот расчет относится к полностью разряженному аккумулятору, так как точный расчет времени при частичном разряде - задача практически неразрешимая.

Вопрос, однако, в том, откуда взять значение тока, если он нигде не указан? Лучше всего измерить его тестером - для этого надо включить тестер в режим измерения тока на пределе 1 А и подсоединить щупы при включенном заряднике вместо аккумулятора (или, лучше, между аккумулятором и одним из контактов зарядника, если щупы удается туда втиснуть, не замыкая их). Другой способ - если в инструкции есть таблица времени зарядки в зависимости от емкости, то величину тока можно ориентировочно подсчитать по вышеуказанной методике.

NiCd-аккумуляторы традиционно используются там, где требуется высокая нагрузочная способность и большой кратковременный ток. В первую очередь это электроинструмент, который, несмотря на все вопли "зеленых" (кадмий - один из самых вредных тяжелых металлов), сплошь комплектуется NiCd-батареями, и замены им на горизонте пока не видно. Снабжаются такими аккумуляторами и профессиональные ТВ-камеры, шахтерские фонари или мобильные радиостанции. Одно из крупных преимуществ NiCd - это единственный тип аккумуляторов, которые без последствий могут храниться полностью разряженным. Зато они имеют высокий саморазряд - до 10% в первые сутки, потом около 10% в месяц.

NiMh - это все пальчиковые аккумуляторы, которые продаются в киосках. Когда-то эту нишу занимали NiCd (они еще выпускались с этикетками на белом фоне, чтобы отличить от батареек), но "зеленые" добились своего, и теперь NiCd можно приобрести лишь в специализированных точках. Конечно, дело не только в загрязнении окружающей среды - NiMh имеют большую, чем NiCd, удельную емкость (60–120 Втч/кГ) и не склонны к эффекту памяти, так что их не обязательно заряжать с нуля.

Зато они боятся глубокого разряда (хоть и не в такой степени, как СКА), и хранить их надо хотя бы частично заряженными. При этом они имеют самый высокий из всех типов саморазряд (вдвое больше, чем у NiCd) и страшно не любят перезарядки, поскольку сильно нагреваются в конце процесса заряда (один из признаков того, что зарядку пора заканчивать).

Как ни старались изобретатели, но заставить NiMh отдавать большой импульсный ток при перегрузках не смогли (правда, литиевые элементы, о которых далее, в этом смысле еще хуже). Тем не менее NiMh-элементы сейчас самые распространенные из универсальных аккумуляторов для бытовой электронной аппаратуры, исключая лишь такую, где зарядное устройство целесообразно встроить в сам прибор или "бесплатно" прилагать к нему. Потому что Li-Ion-разновидность, о которой сейчас пойдет речь, заряжать абы как решительно не рекомендуется, а "фирменный" зарядник гарантирует, что все будет как надо.

Прежде всего отметим главное и очень удобное свойство Li-Ion-аккумуляторов: они не имеют эффекта памяти и вообще не требуют профилактики (в виде специальной "тренировки" при хранении). Но это мало помогает: Li-Ion еще и отличаются тем, что портятся при хранении практически так же, как и во время эксплуатации.

А вот будете ли вы их разряжать до конца или подзаряжать каждые полчаса - по большому счету неважно (допустимое число циклов заряд-разряд превышает 1000), причем частая дозарядка для этого типа даже предпочтительнее, так как хранить их полагается в заряженном виде.

Li-Ion отличаются большой энергоемкостью (110–160 Втч/кГ) и малым саморазрядом - менее 10% за месяц, причем около трети этой величины обусловлено потреблением встроенных схем защиты. Схемы защиты нужны потому, что эти аккумуляторы совершенно не выносят перезаряда и при нарушении режима взрываются без предупреждения. В 2006 году нашумела история с Sony (которая производит до 90% всех Li-Ion в мире), умудрившейся подставить немало компьютерных брэндов, от Apple до Acer, выпустив на рынок почти 10 млн. батарей, склонных к самовозгоранию.

Li-Ion также плохо относятся к низким температурам. Все эти качества и обусловили область применения литийионных аккумуляторов - для мобильных устройств с собственным зарядным устройством (сотовые телефоны, ноутбуки и пр.). Правда, есть сведения, что несмотря на низкую перегрузочную способность, изготовители электромобилей тоже нацелились на этот тип батарей.

Литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы - разновидность Li-Ion, которая отличается в худшую сторону тем, что совершенно не выносит низких температур (ниже 0 градусов отказываются работать) и имеет меньшую долговечность (100–200 циклов заряд-разряд). Зато у них "твердый" электролит, похожий на пластиковую пленку, что позволяет делать батареи очень тонкими (до 1 мм), гибкими и даже произвольной формы.

Недавно проскочила новость, которая может радикально изменить ситуацию в области мобильных устройств, - группа ученых из Стэнфордского университета изобрела способ изготовления Li-Ion-элементов с использованием кремниевых нанотрубок, который якобы позволит повысить их емкость в десять раз (!) без ущерба для долговечности. Конечно, очень приятно иметь ноутбук, работающий в автономном режиме не три-четыре часа, а тридцатьсорок. О том, действительно ли эта технология осуществима, или это очередной пиар с целью выбивания грантов, мы узнаем в ближайшие несколько лет.

Под конец добавим еще пару слов о взаимоотношениях аккумуляторов и обычных одноразовых "батареек". Одноразовые и многоразовые электрохимические источники имеют не во всем пересекающиеся области применения. Если в малопотребляющих устройствах долговременного хранения имеет смысл использовать именно батарейки, то аккумуляторы для того же телевизионного пульта решительно не подойдут, разве что на пару недель на подмену, если лень сразу дойти до универсама.

Аккумуляторы, как мы знаем, к хранению относятся плохо: уже через год заряженный NiMh-аккумулятор может потерять до 80% запасенной энергии, а лучшие щелочные (alkaline) батареи могут без проблем храниться лет семь-восемь (а на деле и существенно дольше).

Большинство стандартных типоразмеров батареек имеют свои эквиваленты в виде аккумуляторов. Чтобы не перепутать, ищите на аккумуляторах надпись "Rechargeable" ("перезаряжаемые") - иногда она делается довольно маленькими буковками. В пальчиковых аккумуляторах на тип обращать внимания особенно ни к чему: на практике вы встретите только NiMh.

При покупке таких устройств, как цифровые камеры или GPS-навигаторы, использующих стандартные пальчиковые элементы питания (а не проприетарные батареи), обязательно купите и аккумуляторы. Одними батарейками вы не обойдетесь! Комплект пальчиковых аккумуляторов окупает себя уже после четырех-пяти перезарядок (посчитайте сами, с учетом того, что батарейки требуются непременно "алкалайновые", то есть более дорогие), а дальше начинается чистая прибыль, да и неудобно таскать с собой запасные килограммы щелочи, цинка и марганца.

Единственное возможное исключение - приборы, которые отличаются экстремально большими пиковыми нагрузками, при одновременном ограничении на величину напряжения: у пальчиковых аккумуляторов напряжение на 0,2–0,3 В ниже, чем у батареек. Так, некоторые дешевые фотовспышки с аккумуляторами не отрабатывают и половины того, на что способны со щелочными батарейками.

Опыт показывает, что в единицах энергии путаются даже опытные железячники. Потому стоит сказать несколько слов в порядке ликбеза. Для начала нужно твердо вызубрить, что мощность есть количество энергии в единицу времени. Если энергию измерять в джоулях (Дж), то мощность получится в джоулях в секунду (Дж/с), каковая величина получила отдельное название ватт (Вт или W [По фамилии изобретателя паровой машины Уатта. В русском языке "W" в начале фамилии может передаваться и как "У", и как "В": доктор Ватсон, но первооткрыватель ДНК Уотсон (и тот и другой - Watson)]). Разницу между энергией и мощностью легко проиллюстрировать на примере фотовспышки, которая развивает мощность до нескольких киловатт, но всего на 1/1000 долю секунды. Итого, энергия затрачивается при этом мизерная, эквивалентная той, что выделяется при горении всего лишь одного (не поверите!) миллиграмма бензина.

Уяснив, таким образом, понятие мощности, можно перейти к основным способам измерения электрических параметров источников питания. Так, надпись на компьютерном блоке "350 W" означает его мощность, то есть что он может питать нагрузку такой (или меньшей) мощности. Здесь все просто и очевидно. Куда сложнее обстоит дело с автономными (читай - электрохимическими) источниками. Для них важна не столько мощность, сколько общее количество запасенной энергии, которое определяет продолжительность работы девайса. Эту энергию можно расходовать по крупицам (в наручных часах с ЖК-дисплеем) или расточительно (на цветной TFT-экран какого-нибудь смартфона), но меняется только время работы, а количество израсходованной энергии остается постоянным.

Считать энергию можно, разумеется, в официальных джоулях, но на практике это неудобно. Удобно считать, например, в ватт-часах - подчеркиваю, что это не ватты в час, то есть не дробь, а именно ватт-часы, то есть произведение энергии на время. Это следует из определения мощности - если ее умножить на единицу времени, то получим опять энергию. Емкость в 50 Втч означает, что нагрузка в 50 Вт будет работать ровно 1 час, или нагрузка в 10 Вт будет работать 5 часов. В ватт-часах принято считать емкость, например, аккумуляторов для ноутбуков. Кстати, и в быту электроэнергию измеряют в тех же величинах - вы платите за израсходованные киловатт-часы.

Для батареек и пальчиковых аккумуляторов все еще хитрее. Их емкость принято считать в миллиампер-часах (мАч). Откуда взялась эта единица и как она связана с энергией? Самым непосредственным образом: еще Джоуль установил, что мощность в электрических цепях есть произведение тока на напряжение, то есть амперов на вольты, которые в случае постоянного тока дадут те же ватты (с переменным током немного сложнее, но сейчас нас это не интересует). И если мы поделим ватт-часы на вольты номинального напряжения источника (каковые для батареек есть, грубо говоря, величи- на постоянная и равная примерно 1,5 В), то получим ампер-часы. Измеренная в них емкость источника более-менее пропорциональна истинной емкости в единицах энергии. Таким образом, аккумулятор на 2000 мАч может отдавать ток 2000 мА (2 А) в течение часа, что эквивалентно емкости приблизительно в 3 Втч.

Предупреждаю законный вопрос: а к чему весь этот разнобой? Ответ элементарный: миллиамперы куда проще измерять, чем ватты, которые нужно еще рассчитывать. Возьмите тестер, включите его на измерение тока и замкните через него батарейку на лампочку от карманного фонарика. Отметив средний потребляемый ток в миллиамперах и умножив его на время в часах, через которое лампочка погасла, вы и получите емкость батарейки в мАч (при данном характере нагрузки - чем выше ток, тем больше потери внутри элемента и, соответственно, тем меньше его видимая емкость). Правда, для одноразовых батареек такой способ напоминает известный анекдот про то, как Василий Иванович проверял спички, но ведь достаточно испытать одну батарейку для каждой их разновидности - отличаться результаты практически не будут, куда больше повлияют условия проведения опыта: мощность нагрузки и температура окружающей среды. Величина мАч получила практическое распространение не только ввиду простоты измерения, но и еще по одной причине: разработчика электронных приборов ватты не интересуют (это пусть у маркетологов голова болит), зато он всегда точно знает потребляемый тем или иным узлом ток. И рассчитать время работы оказывается гораздо проще.

1 Правильнее, конечно, называть и те и другие электрохимическими элементами (первые - перезаряжаемые, вторые - одноразовые). Слово "батарея", вообще говоря, относится к случаю, когда несколько таких элементов соединены вместе