Зарядка, хранение и восстановление ni mh аккумуляторов

Положительные и отрицательные стороны

Как говорилось выше, никель-металлогидридная технология пришла на смену никель-кадмиевой. Здесь стоит сделать акцент на возрастании удельных энергетических характеристик и отказе от применения токсичного кадмия. Подобное решение дало возможность производителям наносить меньше вреда окружающей среде при изготовлении Ni-Mh. Также существенно была упрощена технология утилизации электробатарей пришедших в негодность.

Плюсы

Эффект памяти хоть и присутствует, но в отличие от никель-кадмия, он всё-таки значительно ниже.

В структуре нет токсичных материалов.

Увеличенный показатель удельной ёмкости по сравнению с конкурентами. Превосходство доходит до 40% от стандартной ёмкости никель-кадмия и при этом Ni-Mh меньше весит.

Безопасная транспортировка — авиакомпании без проблем берут как груз.

Минусы

В процессе зарядки никель-металл-гидрид греется больше чем предшественник, из-за этого появляется надобность внедрения реле температуры либо предохранителей. Разработчики устанавливают данные компоненты на стенке по центру электронакопителя.

Риск переполюсовки и перегрева составляющих возрастает с увеличением срока службы и числа циклов. Поэтому инженеры устанавливают в такие аккумуляторные блоки не больше 10 элементов.

Ni-Mh имеет весьма заметный самостоятельный разряд. Он в пару раз выше чем у Ni-Cd (20% в течении первых суток и дальше идёт рост на 10% каждый месяц). Подобное недоразумение присутствует по причине реакции оксидно-никелевого электрода с водородом электролита. В нынешних вариациях Ni-Mh данную проблему решают путём изменения сплавов минусовых электродов. Результат получается конечно не идеальный, но достаточно приемлемый.

Ni-Mh могут нормально функционировать в более узком диапазоне температур. При показателе за бортом в -10 градусов, такие устройства теряют свою работоспособность. Отказ работать можно наблюдать и при температуре выше +40 градусов. Однако на рынке есть линейки Ni-Mh, для которых производитель расширяет диапазон рабочих температур посредством внедрения легирующих добавок.

АКБ безвозвратно теряют ёмкость минусового электрода, когда разряжаются на 100%. Поэтому, никель-металл-гидридные источники питания более требовательны к процессу разряда, чем их старшие братья — Ni-Cd. Сами разработчики советуют разряжать элемент до 1 V в накопителях с низким напряжением или до 1,1 V в аккумуляторах состоящих из 7-10 элементов.

Служат относительно не долго — до 600-800 полных циклов, но и эта цифра может сократиться в значительной степени если постоянно доводить устройство до глубокого разряда.

Снижение ёмкости уже через 250-300 циклов.

Ni-Mh более дорогие в изготовлении чем Ni-Cd.

Требуется специальное ЗУ со стадийным алгоритмом и отслеживанием перезаряда.

Усложнённый алгоритм зарядного процесса. Он более длительный и вдобавок Ni-Mh аппаратура восприимчива к перезаряду.

Как нужно проводить восстановление NiMH аккумулятора и почему это важно

Существенным фактором внешнего влияния на электрические характеристики аккумуляторов является температура окружающей среды. Емкость, которая может быть получена от аккумулятора при 20°С, наибольшая. Она почти не уменьшается и при разряде при более высокой температуре. Но при температуре ниже 0°С разрядная емкость уменьшается, и тем больше, чем больше разрядный ток.

Номинальным (стандартным) режимом заряда является режим, при котором аккумулятор, разряженный до 1В, заряжается током 0,1С в течение 16ч (для Ni-Mh 15ч.). Аккумуляторы могут быть заряжены при температуре от 0 до +40°С, наиболее эффективно в интервале температур от +10 до +30 °С. Ускоренный (за 4 — 5 часов) и быстрый (за 1 час) заряды возможны для Ni-MH аккумуляторов, имеющих высокоактивные электроды. При таких зарядах процесс контролируется по изменению температуры ?Т и напряжения ?U и другим параметрам. Рекомендуется также трехступенчатый способ заряда: первый этап быстрого заряда (ток до 1С), заряд со скоростью 0,1С в течение 0,5-1 ч для заключительной подзарядки, и заряд со скоростью 0,05-0,02С в качестве компенсационного подзаряда. Зарядное напряжение Uз при Iз=0,3-1С лежит в интервале 1,4-1,5В. Для исключения перезаряда аккумуляторных батарей могут применятся следующие методы контроля заряда с соответствующими датчиками, устанавливаемыми в аккумуляторные батареи или зарядные устройства:

• метод прекращения заряда по абсолютной температуре Тmax.
• метод прекращения заряда по скорости изменения температуры ?T/?t.
• метод прекращения заряда по отрицательной дельте напряжения -?U.
• метод прекращения заряда по максимальному времени заряда t.
• метод прекращения заряда по максимальному давлению Pmax. (0,05-0,8 Мпа).
• метод прекращения заряда по максимальному напряжению Umax.

Для Ni-MH аккумуляторов не рекомендуется заряд при постоянном напряжении, так как может произойти «тепловой выход из строя» аккумуляторов. Тепловыделение в герметичном Ni-Cd аккумуляторе зависит от уровня его заряженности. К концу заряда в стандартном режиме температура аккумулятора может взрасти на 10-15 °С. При быстром заряде разогрев больше (до 40-45 °С).

Правила эксплуатации NiCd/NiMh аккумуляторов

• Старайтесь использовать только штатные зарядные устройства
• При использовании неавтоматических зарядных устройств, не заряжайте аккумулятор больше времени, указанного в инструкции. Перезаряд значительно ускоряет процесс старения аккумулятора
• Не оставляйте разряженный аккумулятор во включенной аппаратуре. Дальнейший бесконтрольный разряд* полностью выводит аккумулятор из строя.
• Избегайте зарядки не полностью разряженного аккумулятора.
• Каждые 3-4 недели производите полную разрядку* аккумулятора в аппаратуре
• Соблюдайте температурный диапазон эксплуатации
• Перед хранением более 1 месяца NiCd аккумулятор необходимо разрядить*. NiMh аккумулятор хранить при 30-50% уровне заряда. Храните при температуре +5°С…+20°С. Срок хранения — до 4 лет.
• Каждые 6 месяцев для NiMh и 12 месяцев для NiCd хранения рекомендуется сделать не менее 3 циклов заряда-разряда в стандартном режиме.

*Примечание: Аккумулятор является полностью разряженным, когда его напряжение падает до 83% от номинального. Например, аккумулятор с номиналом 1,2В будет полностью разряжен, когда при работающей аппаратуре напряжение на нем станет равным 1 В. Обычно этот уровень напряжения совпадает с порогом отключения аппаратуры.

ВНИМАНИЕ! В процессе эксплуатации НЕ ДОПУСКАТЬ:

• применения зарядных устройств, не предназначенных для заряда аккумуляторов данной химической системы
• короткого замыкания между контактами аккумулятора
• внешнего нагрева выше 100°С и воздействия открытого огня
• любых физических повреждений корпуса аккумулятора
• зарядки холодного аккумулятора (ниже 0°С)
• проникновения жидкости в корпус аккумулятора.

Методы заряда

Зарядка производится электрическим током при напряжении на элементе до 1,4 — 1,6 В. Напряжение на полностью заряженном элементе без нагрузки составляет 1,4 В. Напряжение при нагрузке меняется от 1,4 до 0,9 В. Напряжение без нагрузки на полностью разряженном аккумуляторе составляет 1,0 — 1,1 В (дальнейшая разрядка может испортить элемент). Для зарядки аккумулятора используется постоянный или импульсный ток с кратковременными отрицательными импульсами (для восстановления эффекта «памяти», метод «FLEX Negative Pulse Charging» или «Reflex Charging»).

Контроль окончания заряда по изменению напряжения

Одним из методов определения окончания заряда является метод -ΔV. На изображении показан график напряжения на элементе при заряде. Зарядное устройство заряжает аккумулятор постоянным током. После того, как аккумулятор полностью заряжен, напряжение на нём начинает падать. Эффект наблюдается только при достаточно больших токах зарядки (0,5С..1С). Зарядное устройство должно определить это падение и выключить зарядку.

Существует ещё так называемый «inflexion» — метод определения окончания быстрой зарядки. Суть метода заключается в том, что анализируется не максимум напряжения на аккумуляторе, а максимум производной напряжения по времени. То есть быстрая зарядка прекратится в тот момент, когда скорость роста напряжения будет максимальной. Это позволяет завершить фазу быстрой зарядки раньше, когда температура аккумулятора еще не успела значительно подняться. Однако метод требует измерения напряжения с большей точностью и некоторых математических вычислений (вычисления производной и цифровой фильтрации полученного значения).

Контроль окончания заряда по изменению температуры

При зарядке элемента постоянным током бóльшая часть электрической энергии преобразуется в химическую энергию. Когда аккумулятор полностью заряжен, то подводимая электрическая энергия будет преобразовываться в тепло. При достаточно большом зарядном токе можно определить окончание заряда по резкому увеличению температуры элемента, установив датчик температуры аккумулятора. Максимальная допустимая температура аккумулятора 60°С.

Основные параметры и характеристика

Все NiMH-батареи являются перезаряжаемыми. Существуют элементы питания разных размеров. Некоторые модели сейчас применяются редко, например батарейка “Крона”. Этот источник питания выдавал напряжение 9 В.

Сейчас применяются такие аккумуляторы:

1. Пальчиковые (АА). Емкость достигает 2900 мА/ч.
2. Мизинчиковые (AAA). Помечаются надписью MN2400 или MX2400. Мощность источников питания достигает 1000 мА/ч.
3. Средние (С). От пальчиковых батареек отличаются большими размерами. Емкость достигает 6000 мА/ч.
4. Большие (D). Имеют самую большую мощность – до 11500 мА/ч.

Металлогидридные источники выдают напряжение 1,5 или 1,2 В. При последовательном соединении 10 батареек можно добиться напряжения 15 В.

NiMH-аккумуляторы с низким саморазрядом (LSD NiMH) [ править | править код ]

Никель-металлогидридные аккумуляторы с низким саморазрядом (англ. low self-discharge nickel-metal hydride battery , LSD NiMH), впервые были представлены в ноябре 2005 года фирмой Sanyo под торговой маркой Eneloop. Позднее [ когда? ] многие мировые производители представили свои LSD NiMH-аккумуляторы.

Этот тип аккумуляторов имеет сниженный саморазряд, а значит обладает более длительным сроком хранения по сравнению с обычными NiMH. Аккумуляторы продаются как «готовые к использованию» или «предварительно заряженные» и позиционируются как замена щелочным батарейкам.

По сравнению с обычными аккумуляторами NiMH, LSD NiMH являются наиболее полезными, когда между зарядкой и использованием аккумулятора может пройти более трёх недель. Обычные NiMH-аккумуляторы теряют до 10 % ёмкости заряда в течение первых 24 часов после заряда, затем ток саморазряда стабилизируется на уровне до 0,5 % ёмкости в день. Для LSD NiMH этот параметр, как правило, находится в диапазоне от 0,04 % до 0,1 % ёмкости в день. [ источник не указан 178 дней ] Производители утверждают, [ источник не указан 178 дней ] что улучшив электролит и электрод, удалось добиться следующих преимуществ LSD NiMH относительно классической технологии:

1. Возможность работать с высокими токами разряда, которые могут на порядок превышать ёмкость аккумулятора. Из-за этой особенности LSD NiMH очень хорошо справляются с мощными фонарями, фотовспышками, радиоуправляемыми моделями и любыми другими мобильными устройствами, которые требуют отдачи большого тока.
2. Высокий коэффициент устойчивости к морозам. При −20 °C — потеря номинальной мощности составляет не более 12 %, в то время как лучшие экземпляры [источник не указан 398 дней] обычных NiMH-аккумуляторов теряют порядка 20—30 %.
3. Лучшее сохранение рабочего напряжения. Многие устройства не имеют драйверов питания и выключаются при падении напряжения, характерного для Ni-MH — до 1,1 В, а предупреждение низкого питания наступает при 1,205 В.
4. Большее время жизни: в 2—3 раза больше циклов заряда-разряда (до 1500 циклов) и лучше сохраняется ёмкость на протяжении жизни элемента.

Другим преимуществом NiMH-аккумуляторов с низким саморазрядом (LSD NiMH) является то, что они обычно имеют значительно более низкое внутреннее сопротивление, чем обычные NiMH-батареи. Это сказывается весьма положительно в устройствах с высоким токопотреблением:

• Более стабильное напряжение
• Уменьшенное тепловыделение, особенно на режимах быстрого заряда/разряда
• Более высокая эффективность
• Способность к высокой импульсной токоотдаче (пример: зарядка вспышки фотоаппарата происходит быстрее)
• Возможность продолжительной работы в устройствах с низким энергопотреблением (примеры: пульт дистанционного управления, часы).

Разновидности Ni-Mh и технические характеристики

Ni-Mh электронакопители изготавливаются разных форм и видов, чтобы быть максимально пригодными для выполнения различных задач.

Современные девайсы обслуживаются такими основными типами Ni-Mh электроаккумуляторов:

AA. Пальчиковые источники энергии. Их ёмкость варьируется в пределах 1700-2900 mAh.

AAA. Мизинчиковые накопители. Можно рассчитывать на ёмкость 800-1000 mAh.

C. Среднеразмерные АКБ. Ёмкость — 4500-6000 mAh.

D. Самый мощный тип аккумуляторов. В этом случае в распоряжении пользователя окажется весьма серьёзный показатель ёмкости — 9000-11500 mAh.

Вся приведённая выше аппаратура предлагает напряжение 1,5 В, но на рынке присутствуют и модели с показателем напряжения 1,2 В. Если соединить десяток 1,2-вольтовых АКБ, то можно получить напряжение равное 12 В.

При снижении температуры окружающей среды и возрастании нагрузки, никель-металл-гидрид теряет в ёмкости по графику приведённому ниже:

Номинальное напряжение разряда (Uр), обычно, пребывает в диапазоне 1,2-1,25 V при разрядном токе (Iр). Как можно наблюдать на графике приведённом далее, напряжение снижается при увеличении нагрузки:

Напряжение разомкнутой цепи вычислить довольно проблематично. Причина — равновесный потенциал оксидно-никелевого электрода сильно зависящий от уровня окисленности никеля.

Большое значение имеет и равновесный потенциал минусового электрода, определяемый уровнем скопления водорода. По прошествии суток после заряда накопителя, напряжение разомкнутой цепи никель-металл-гидрида пребывает на уровне 1,3-1,35 V.

Способы зарядки никель-металлогидридных аккумуляторов

У никель-металлогидридных аккумуляторных батарей существует несколько способов подзарядки:

• ускоренный заряд;
• капельный заряд;
• быстрый подзаряд.

Ускоренная зарядка. При первых этапах процедуры зарядки подаётся электрический ток, равный 10 С. Когда энергетическая ёмкость аккумуляторной батареи восполнилась на 70 — 75 процентов, необходимо произвести переключение силы тока на 1 С. Длительность первого шага зависит от того, насколько сильно разряжена аккумуляторная батарея

Важно знать, что такое большое напряжение на аккумулятор может вывести его из строя, поэтому необходимо иметь хотя бы минимальные навыки работы в этой сфере.

Капельный тип. Такой метод подзарядки не изменяет характеристики компонента электропитания

Процедура не будет прекращена даже после полного восстановления электроэнергии. Выставляется минимально возможная нагрузка тока, что не позволит устройству перегреваться. Зарядник должен быть способен выдать 0,05С, где С — это энергетическая ёмкость аккумуляторной батареи. Насколько долго будет производиться процедура зарядки зависит от вместимости аккумулятора.

Быстрая подзарядка

Для выполнения процесса быстрой зарядки необходимо проделать несколько простых шагов.

Рекомендации по разрядке и зарядке АКБ

Осуществлять зарядку необходимо до 80 или 85 процентов. Во избежание экономии срока службы, необходимо заряжать аккумуляторную батарею до того момента, пока она не наберёт нужное количество энергии. Необходимо следить, чтобы не возникло перегрева.

Нельзя оставлять аккумулятор на зарядке слишком долгий период времени, чтобы не допустить перезаряда

Аккумуляторы типа Ni-Mh (NiMh)

Впервые исследования в области гидрида никеля и металла проводились в 1967-м году в Женевском научно-исследовательском институте Баттеля и упирались в ограничение образования никель-водорода (NiH) из-за нестабильности гидрида металла. В 1980-х был открыт новый гидридный сплав, с которым разработку удалось завершить в 1987-м с улучшением ёмкости на 40% в сравнении со стандартными NiCd-аккумуляторами.

Плюсы:

• Высокая удельная ёмкость (до 40% больше от стандартной ёмкости NiCd и меньший вес).
• В большинстве случаев отсутствует «эффект памяти» (частота обслуживания снижена в 2-3 раза).
• Экологически чистые (выгодная переработка, не содержат кадмий, ртуть, свинец, вредные химические вещества).
• Складирование и транспортировка безопасны (принимаются авиакомпаниями в качестве груза).
• Эффективны при отрицательных температурах (но в меньшей степени, чем NiCd).

Минусы:

• Более высокая цена у NiMh, чем у NiCd.
• Сложный алгоритм зарядки (более длительный, чувствителен к перезаряду, плохо поглощает перезаряд, должен быть на меньшем токе).
• Требуют особое зарядное устройство (со стадийным алгоритмом и контролем перезаряда).
• Излишнее тепловыделение (при быстрой зарядке и во время разрядки на высокой нагрузке).
• Меньшая производительность при экстремальных температурах (в сравнении с NiCd).
• Небольшой срок службы (до 500 циклов, значительно сокращается из-за глубокого разряда).
• Скорость саморазряда почти в 2 раза выше (20% в течение первых 24 часов и растёт на 10% в месяц).

Замена гидридного материала уменьшает саморазряд и уменьшает коррозию сплава, но это сокращает и удельную энергию. Аккумуляторы в электрических силовых агрегатах используют это улучшение для достижения требуемого ресурса и длительного срока службы.