Аккумуляторы

Аккумуляторы — важнейшие элементы многих электронных устройств, от смартфонов до электромобилей. Чтобы лучше понимать как они работают, рассмотрим их ключевые характеристики.

У каждого аккумулятора есть два основных параметра:

  1. Напряжение (измеряется в вольтах, В)
  2. Емкость (измеряется в ампер-часах, Ач или миллиампер-часах, мАч)

Напряжение показывает разность потенциалов между положительным и отрицательным электродами аккумулятора. Это своего рода «давление», которое толкает электрический ток по цепи. Номинальное рабочее напряжение зависит от типа аккумулятора. Например, у свинцово-кислотных аккумуляторов оно обычно составляет 12 В, у литий-ионных — 3.6-3.7 В.

Емкость аккумулятора показывает, какое количество электричества он способен накопить и отдать. Если емкость равна 1 Ач, это значит, что полностью заряженный аккумулятор теоретически может питать нагрузку током 1 А в течение 1 часа, или током 0.5 А в течение 2 часов, и т.д., пока не разрядится до минимально допустимого уровня напряжения.

Рассмотрим пример. Допустим, у вас есть аккумулятор емкостью 2000 мАч и напряжением 3.6 В. Вы подключаете к нему светодиодный фонарик, который потребляет ток 100 мА. Теоретически, фонарик будет работать 2000 мАч / 100 мА = 20 часов, прежде чем аккумулятор полностью разрядится.

Ток заряда и разряда

Каждый тип аккумулятора имеет ограничения по максимально допустимому току заряда и разряда. Обычно эти значения указываются производителем в процентах от номинальной емкости или в единицах «С».

Например, если для аккумулятора 2000 мАч указан максимальный ток заряда 0.5С, это значит, что заряжать его можно током не более 2000 мАч * 0.5 = 1000 мА = 1 А. Превышение этого значения может привести к перегреву и выходу аккумулятора из строя.

Аналогично, если максимальный ток разряда равен 2С, то аккумулятор можно нагружать током до 2000 мАч * 2 = 4000 мА = 4 А без ущерба для его ресурса.

Глубокий разряд — враг аккумулятора

Современные аккумуляторы, даже в таких устройствах как китайский смартфон с мощным аккумулятором, крайне негативно реагируют на глубокий разряд — падение напряжения до нуля вольт. Подобный разряд способен полностью вывести батарею из строя или существенно снизить ее емкость. Поэтому производители всегда указывают безопасный диапазон напряжений, в пределах которого нужно эксплуатировать аккумулятор, чтобы сохранить его работоспособность на максимально долгий срок.

Поэтому производители всегда указывают для своих аккумуляторов диапазон рабочего напряжения — от полностью заряженного состояния до минимально допустимого уровня. Например:

  • Для литий-ионных аккумуляторов 18650 номинальная емкость обычно указана для разряда от 4.2 В (полный заряд) до 2.5-2.75 В (минимум).
  • Для свинцово-кислотных автомобильных аккумуляторов — от примерно 12.7 В до 10.5 В.

Контроллеры и системы управления аккумуляторами всегда следят за напряжением и отключают нагрузку, когда оно опускается до нижнего порога. Так они защищают аккумулятор от губительного переразряда.

Реальная емкость PowerBank может быть ниже заявленной

Большинство портативных зарядных устройств (PowerBank) построено на литий-ионных аккумуляторах с номинальным напряжением 3.6-3.7 В. Чем больше аккумуляторов соединено параллельно, тем выше суммарная емкость PowerBank.

Однако нужно учитывать, что потребителям требуется стандартное напряжение USB 5 В. Поэтому внутри PowerBank всегда есть преобразователь, который повышает напряжение аккумуляторов с 3.6-3.7 В до 5 В.

И вот тут кроется маркетинговая уловка некоторых производителей. Они указывают в характеристиках емкость аккумуляторной батареи 3.6-3.7 В. А реальная емкость при напряжении 5 В получается примерно на 30% меньше. Так что не удивляйтесь, если ваш смартфон с аккумулятором 3000 мАч заряжается от PowerBank 10000 мАч всего 2 раза, а не 3, как вы ожидали. Подробнее о том как рассчитать реальную емкость повербанка мы рассказывали на нашем сайте.

Соединение аккумуляторов последовательно и параллельно

Внутри аккумуляторных батарей большой емкости и высокого напряжения, как правило, находится множество соединенных между собой элементов поменьше. Их называют секциями или банками.

Существуют два основных способа соединения аккумуляторов:

  1. Последовательное (in series). Плюс одного соединяется с минусом другого. При этом напряжения складываются, а емкость остается неизменной. Например, если последовательно соединить 3 аккумулятора по 3.6 В и 2000 мАч, на выходе получится батарея 10.8 В и 2000 мАч.
  2. Параллельное (in parallel). Все плюсы соединяются между собой, все минусы — между собой. В этом случае емкости складываются, а напряжение не меняется. Например, 3 аккумулятора по 3.6 В и 2000 мАч, соединенные параллельно, дадут батарею 3.6 В и 6000 мАч.

На практике в мощных батареях применяют комбинацию последовательных и параллельных соединений, чтобы получить нужные напряжение и емкость. Например, в аккумуляторе электромобиля Tesla Model S 85 кВтч используется почти 7000 отдельных литий-ионных элементов 3.6 В, соединенных в 16 блоков по 96 последовательных ячеек в каждом. Блоки соединены параллельно. Итоговое напряжение батареи — около 350 В.

Проблема несбалансированности ячеек и ее решение

При последовательном соединении нескольких аккумуляторов неизбежно возникает проблема их несбалансированности. Дело в том, что емкость и внутреннее сопротивление каждого отдельного элемента могут немного отличаться друг от друга. Поэтому при заряде и разряде всей батареи какие-то ячейки будут заряжаться или разряжаться быстрее других. Со временем эти различия могут накапливаться.

В результате одни ячейки раньше достигают предельных уровней заряда или разряда. Их приходится отключать, чтобы избежать перезаряда или переразряда. Но тогда остальные ячейки недозаряжаются или недоразряжаются. В итоге снижается реальная емкость всей батареи, а также ускоряется деградация «сильных» и «слабых» элементов.

В недорогих устройствах с малым числом ячеек эту проблему часто игнорируют — батарея работает как есть, пока совсем не потеряет емкость. Но в ответственных применениях, где нужен долгий срок службы, используют специальные схемы балансировки.

Самое простое решение — пассивная балансировка. Суть в том, что к каждой ячейке параллельно подключается резистор и транзистор. Когда напряжение на ячейке достигает максимума, контроллер открывает транзистор, и избыточная энергия рассеивается на резисторе в виде тепла. Так выравниваются степени заряда всех ячеек.

Более совершенный вариант — активная балансировка. В этом случае энергия перетекает от более заряженных ячеек к менее заряженным через индуктивные преобразователи, почти без потерь. Это позволяет выровнять заряд ячеек не только в конце, но и в процессе заряда батареи. Активная балансировка применяется в аккумуляторах электромобилей, например.

Наличие системы балансировки легко определить по числу контактов на корпусе батареи. Если их всего 2-3 (плюс, минус, возможно, датчик температуры), значит балансировки нет. А вот если контактов 4 и больше — значит к каждой ячейке подключена своя балансировочная цепь.

Типы аккумуляторов и их особенности

От типа электрохимической системы аккумулятора зависят его характеристики:

  • Удельные емкость и энергия (Втч/кг, Втч/л) — показывают, какой вес и объем будет иметь аккумулятор на единицу запасаемой энергии.
  • Число циклов заряд/разряд — ресурс аккумулятора.
  • Саморазряд — какая доля емкости теряется в месяц при хранении.
  • Допустимые токи заряда и разряда (в единицах С).
  • Диапазон рабочих температур.
  • Требования к системе управления и безопасности.

Наиболее распространенные сейчас типы аккумуляторов:

  • Свинцово-кислотные (Lead-Acid). Старый добрый аккумулятор, изобретенный еще в 19 веке. Дешевый и надежный, но тяжелый и требовательный к условиям заряда. До сих пор применяется для запуска ДВС, в ИБП и т.п.
  • Никель-кадмиевые (Ni-Cd). Никель-металлгидридные (Ni-MH). В 1990-2000х широко применялись в портативной электронике. Постепенно вытесняются литиевыми, но еще встречаются в электроинструменте, медицинском оборудовании и других специальных применениях.
  • Литий-ионные (Li-ion), литий-полимерные (Li-Pol). Самый прогрессивный тип на сегодня. Высокая удельная энергия, большой ресурс, низкий саморазряд. Широко применяются в электронике, электротранспорте, системах накопления энергии. Разновидностей очень много, отличаются по типу катода — литий-кобальтовый оксид (LCO), литий-железо-фосфат (LFP), литий-никель-марганец-кобальтовый оксид (NMC) и др.

Несмотря на различия в характеристиках, все типы аккумуляторов могут быть подвержены неисправностям и преждевременному выходу из строя. Наиболее распространенные проблемы – это снижение емкости, увеличение внутреннего сопротивления, утечки электролита, вздутие или разрушение корпуса. Причины неисправности аккумуляторных батарей могут быть разными – от производственного брака до неправильной эксплуатации, перегрева, перезаряда или глубокого разряда. Более подробно о типичных неисправностях аккумуляторных батарей и способах их диагностики можно прочитать в приведенной по ссылке статье.