Расставляем точки на Li: Нужна ли тренировка литиевым аккумуляторам?

Расставляем точки на Li: Нужна ли тренировка литиевым аккумуляторам?

Прошло уже достаточно времени с тех времен, когда Ni-Cd (никель-кадмиевые ) и Ni-Mh (никель-металлгидридные) аккумуляторы безраздельно властвовали в мобильных устройствах, но с самого начала эпохи Li-ion (литий-ионных) и Li-po (литий-полимерных) аккумуляторов не утихают споры по поводу того, надо ли «тренировать» эти аккумуляторы сразу после покупки.

Доходит до смешного… в темах обсуждения литиевых аккумуляторов на весьма популярных форумах до сих пор всем новичкам в приказном тоне рекомендуют пройти 10 циклов зарядки-разряда, а только потом приходить с вопросами о аккумуляторах.

Давайте попробуем разобраться, имеет ли такая рекомендация право на жизнь, или это рефлексы спинного мозга (за отсутствием головного, наверное) некоторых индивидуумов, у которых они остались со времен повсеместного использования никелевых аккумуляторов.

О терминологии…

  • А (Ампер (A) или миллиампер — мА, микроампер — мкА) — значение силы тока в проводнике. Может быть, как большим, так и маленьким. Ток в 100А может сваривать листы железа, но взяв в руки провода от БП 5В 100А, вы ничего не почувствуете, потому что никаких 100А через вашу кожу не пройдет — сопротивление тела слишком большое для прохождения тока.
  • В (Вольт (V) или милливольт — мВ, микровольт — мкВ) — значение напряжения. Большое напряжение создаст длинную искру, но при маленьком токе источника вас только слегка тряхонёт, но никак не превратит в горстку пепла. Пример — статическое электричество, напряжения составляет до 10кВ, а токи мизерные.
  • Ом (Омы (Ohm) или килоом- кОм, мегаом- МОм) — значение сопротивление. Именно высокое сопротивление вашего тела (приблизительно 15 кОм) позволяет вам держать провода из первого пункта. Проходя по проводу, имеющему сопротивление (а все провода имеют сопротивление, и чем провод тоньше, тем оно выше), напряжение падает на определенную величину, которая зависит от силы тока. Поэтому для обогревателя нужен толстый провод, а для лампочки — тонкий, хоть напряжение в обоих случаях 220В. Применительно к аккумуляторам и батареям (да и вообще ко всем источникам тока), можно говорить о внутреннем сопротивлении. Это сопротивление не даст вам получить большой ток за малое время, хотя аккумулятор при коротком замыкании очень к этому стремится — возникающая искра при замыкании клемм, это как раз несколько ампер тока при напряжении меньше одного вольта. Связано это с тем, что скорость ионов внутри аккумулятора не очень велика. Вязнут, бедняжки, по колено в полимере.
  • Вт (Ватт (W) или милливатт — мВт, дальше вы поняли, да?) — в простейшем представлении, это мощность постоянного тока, вычисляемая умножением вольт на амперы. К примеру, БП ноутбука, который выдает 3А при напряжении в 20В, и лабораторный блок питания, выдающий 3В, при токе в 20А, отдадут в нагрузку одинаковую мощность в 60Вт. Потребят из сети они больше, из-за того, что их КПД не 100% — часть энергии перейдет в тепло.
  • Вт·ч (Ватт-час) — мера энергии. Из названия должно быть понятно, что 1 Вт·ч — это энергия, которую кто-то получит (или отдаст), принимая (или отдавая) мощность в 1Вт в течении часа. Или 60Вт в течении минуты. Вот тот БП выше, он как раз отдает каждый час 60Вт·ч. Вот это «правильная» емкость, которая не дает информации о самом аккумуляторе, но дает полное представление о его емкости. Еще есть киловатт-часы, кВт·ч — их пишут в квитанциях. Если оставить БП включенным, он выжрет энергии за месяц на 60Вт·ч*24*30 т.е. примерно на 43кВт·ч, или на 73 рубля. Разумеется, то, что выдает блок питания на выходе(те 20В и 3А) должен кто-то потреблять, ну и о КПД не забываем.
  • А·ч (ампер-часы) — Заряд. Общепринято, хоть и ошибочно называется емкостью. Почему ошибочно? -Потому что без напряжения, по одной цифре 5А·ч нельзя ничего понять — это говорит лишь о том, что аккумулятор может выдать ток в 5 ампер в течении часа. Или один ампер в течении 5 часов. А вот сколько будет выдано энергии в течении этого часа — зависит от напряжения питания. Проще говоря, А·ч это Вт·ч из которых выдрали вольты (Вт — В*А, если В убрать, останется А). Казалось бы, что может быть проще — на аккумуляторе написано 2А·ч, 3.7В, умножай 2 на 3.7, получай 7.4Вт·ч и радуйся. Но есть нюанс … вот он:
    li-002
    Это график разряда литиевого аккумулятора, на котором видно, что напряжение снижается к концу разряда. А это означает, что простое умножение А·ч на В (которое сработало бы в случае с блоком питания, выдающим стабильное напряжение), дает значение энергии с очень большой погрешностью. Для того, чтоб узнать, сколько ватт-часов в аккумуляторе, можно, например, построить график мощности (которую можно получить умножением мгновенных значений тока и напряжения), а потом найти площадь под кривой этого графика:
    li-003
    Это сложнее, но зато в результате мы получаем ватт-часы.
  • xC — просто удобное обозначения тока заряда или разряда аккумулятора. Когда говорят о зарядке током 2С, или 0.1С, обычно имеют в виду, что ток должен составлять (2*емкость аккумулятора)/h или (0.1*емкость аккумулятора)/h.К примеру, аккумулятор емкостью 720mAh, для которого ток заряда составляет 0.5С, надо заряжать током 0.5*720mAh/h = 360мА

О чтении спецификаций (даташитов) к аккумуляторам

В гугле был найден даташит на аккумулятор, состоящий из одной странички:

li-004

Расшифрую, что там написано…

Думаю, что такое Nominal capacity и Minimum capacity всем понятно — обычная емкость и минимальная емкость. Обозначение 0.2С означает, что аккумулятор достигает такой ёмкости, только в случае, если его разряжать током в 0.2 от его емкости — 720*0.2=144мА.

Charding voltage и Nominal Voltage — напряжение зарядки и напряжение работы (тоже просто и понятно).

А вот следующий пункт уже сложнее — зарядка…

Method: CC/CV — Означает, что первую половину процесса зарядки надо поддерживать постоянный ток (он указан ниже, 0.5С стандартно — т.е. 350мА, и 1С максимально — 700мА), а после достижения напряжения на аккумуляторе 4.2В, надо установить постоянное напряжение, те же самые 4.2В.

Пункт ниже — Standart Discharge (разряд). Предлагают разряжать током от 0.5С — 350мА и до 2С — 1400мА до напряжения 3в. Производители лукавят — на таких токах емкость будет ниже заявленной.

Максимальный ток разряда как раз и определяется внутренним сопротивлением. Но надо различать максимальный ток разряда и максимально-допустимый. Если первый может составлять 5А, и даже более, то второй жестко оговорен — не более 1.4А. Связано это с тем, что при таких больших токах разряда аккумулятор начинает необратимо разрушаться.

Дальше идет информация о весе и температуре работы: зарядка от 0 до 45 градусов, разрядка от -20 до 60. Температура хранения: от -20 до 45 градусов, обычно при заряде 40%-50%.

Время жизни обещают не менее 300 циклов (полный разряд-заряд током 1С) при температуре 23 градуса. Это не означает, что после 300 цикла аккумулятор выключится и больше не включится, нет. Просто производитель гарантирует, что 300 циклов емкость аккумулятора падать не будет. А дальше — как повезет, зависит от токов, температуры, условий работы, партии, положения луны и так далее.

О зарядке

Стандартный метод, которым заряжаются все литиевые аккумуляторы (Li-pol, Li-ion, LiFePO4), это СС-CV, упоминавшийся выше.

В самом начале заряда поддерживаем постоянный ток. Обычно это делают схемой с обратной связью в зарядном устройстве — автоматически подбирается такое напряжение, чтобы ток, проходящий через аккумулятор, был равен необходимому. Как только это напряжение становится равно 4.2 вольтам (для описываемого аккумулятора), больше поддерживать такой ток нельзя — напряжение на аккумуляторе возрастет слишком сильно(мы помним, что нельзя превышать рабочее напряжение у литиевых аккумуляторов), и он может нагреться и даже взорваться. Но сейчас аккумулятор заряжен не полностью — обычно на 60%-80%, и для зарядки остальных 40%-20% без взрывов ток надо снизить.

Проще всего это сделать, поддерживая постоянное напряжение на аккумуляторе, и он сам возьмет такой ток, который ему необходим. При снижении этого тока до 30-10мА аккумулятор считается заряженным.

Для иллюстрации всего вышеописанного я раскрасил в фотошопе подготовил график заряда, снятый с подопытного аккумулятора:

li-005

В левой части графика, подсвеченной синим, мы видим постоянный ток 0.7А, в то время как напряжение постепенно поднимается с 3.8В до 4.2В. Также видно, что за первую половину заряда аккумулятор достигает 70% своей емкости, в то время как за оставшееся время — всего 30%

О технологии тестирования

В качестве подопытного был выбран вот такой аккумулятор (литий-полимерный аккумулятор в мягком корпусе 3.7V, ёмкость 720mAh)…
li-006

Аккумулятор заряжался с использованием универсального зарядного устройства iMax B6…
li-007

Информация о заряде-разряде сливалась по интерфейсному кабелю в компьютер. Графики строились в программе LogView.

Потом я просто подходил раз в несколько часов и попеременно включал заряд-разряд.

О результатах

В результате кропотливой работы( а вы сами попробуйте тыкать зарядку на протяжении 2 недель) были получены два графика…
li-008

Как понятно из его названия, он показывает изменение емкости аккумулятора на протяжении первых 10 циклов. Она немного плавает, но колебания составляют около 5% и не имеют тенденции. В целом, емкость аккумулятора не изменяется. Все точки сняты при разряде током 1С (0.7А), что соответствует активной работе смартфона.

Две из трех точек в конце графика — показывают, как изменяется емкость при низкой температуре аккумулятора. Последняя — как изменяется емкость при разряде большим током. Об этом следующий график…
li-009

На графике видно, что чем больше ток разряда — тем меньше энергии можно получить с аккумулятора. Хотя (вот хохма), даже на самом мизерном токе в 100мА аккумулятор по емкости не соответствует даташиту… -Все врут!

Хотя нет, тест аккумулятора от Mugen Power на 1900mAh для Zopo ZP100 показал вполне честные почти-два-ампера:
li-010

А вот китайский аккумулятор на 5000mAh набрал всего 3000:
li-011

Выводы

  1. Тренировка литиевых аккумуляторов, состоящих из одной банки, бессмысленна. Не вредна, но тратит циклы работы аккумуляторов. В мобильных устройствах тренировку нельзя даже оправдать работой контроллера — параметры аккумулятора одинаковы, не меняются в зависимости от модели и времени. Единственное, на что может влиять недостаточный разряд — на точность показаний индикатора заряда (но не на время работы), но для этого достаточно одной полной разрядки раз в полгода.Еще раз. Если у вас плеер, телефон, рация, кпк, планшет, дозиметр, мультиметр, часы или любой другой мобильный девайс, использующий аккумулятор Li-Ion или Li-Pol(если он съемный, на нем будет написано, если он не съемный — то 99% это литий) — «тренировка» длиннее одного цикла бесполезна. Один цикл тоже, скорее всего, бесполезен.Если у вас аккумулятор для управляемых моделей, то первые несколько циклов надо разряжать малыми токами(малыми, хе-хе. Для них малые — это 3-5С. Это вообще-то полтора ампера на 11 вольтах. А рабочие токи там до 20С). Ну, кто пользуется этими аккумуляторами, тот знает. А всем остальным это не пригодится, разве что для общего развития.
  2. В некоторых случаях, при использовании батарей с несколькими банками полный разряд-заряд может увеличить емкость. В батареях ноутбуков, если производитель поскупился на умный контроллер батареи, который не балансирует банки в последовательном соединении при каждом заряде, полный цикл может увеличить емкость на следующую пару циклов. Происходит это за счет выравнивания напряжения на всех банках, что приводит к их полному заряду. Несколько лет назад мне попадались ноутбуки с такими контроллерами. Сейчас не знаю.
  3. Не верьте надписям на этикетках. Особенно китайским. НИ ОДНОЙ! Всегда завышают. А если не завышают, то гарантируют емкость только в тепличных условиях и при разряде малым током.
  4. Держите аккумулятор в тепле. Смартфон в кармане джинсов будет работать немного дольше, чем в наружном кармане куртки. Разница может составлять 30%, а зимой и того больше.

Автор: Владислав Зайцев, Владивосток, сайт 7del.net
Оригинал статьи опубликован 04.09.2012 на сайте habrahabr.ru

Share this post