Элементы питания. Прошлое, будущее и настоящее

Цинково-воздушные аккумуляторы (Zinc-Air)

Эти элементы отличаются самой большой плотностью из всех современных технологий. Причиной тому стали компоненты, используемые в этих аккумуляторах. В качестве катодного реагента в этих элементах используется атмосферный кислород, что нашло отражение в их названии. Для того чтобы воздух реагировал с анодом из цинка, в корпусе батарейки проделаны небольшие отверстия. В качестве электролита в этих элементах используется гидроксид калия, обладающий высокой проводимостью.

Первоначально созданные как неподзаряжаемые источники питания, цинково-воздушные элементы характеризуется долгим и стабильным сроком хранения, по крайней мере, если хранить их герметично от воздуха, в неактивном состоянии. В этом случае за год хранения такие элементы теряют около 2 процентов емкости. Как только воздух попадает в батарею, эти батарейки живут не дольше месяца, независимо от того, будете вы их использовать, или нет.

Некоторые производители начали использовать ту же самую технологию в подзаряжаемых элементах. Лучше всего такие элементы зарекомендовали себя при продолжительной работе в маломощных устройствах. Основным же недостатком этих элементов является высокое внутреннее сопротивление, означающее, что для достижения высокой мощности, они должны быть огромного размера. А это означает необходимость создания в ноутбуках дополнительных отсеков для батареек, по размеру сопоставимых с самим компьютером.

Но следует отметить, что такое применение они начали получать совсем недавно. Первый такой продукт - совместное творение Hewlett-Packard Co. и AER Energy Resources Inc. - PowerSlice XL - показал несовершенство этой технологии при использовании в портативных компьютерах. Эта батарейка, созданная для ноутбука HP OmniBook 600 весила 3,3 кг - больше, чем сам компьютер. Работы же она обеспечивала всего 12 часов. Компания Energizer также стала использовать эту технологию в своих маленьких пуговичных батарейках, используемых в слуховых аппаратах.

Подзарядка батарей - тоже не такое простое дело. Химические процессы очень чувствительны к электрическому току, подаваемому на батарейку. Если подаваемое напряжение будет слишком низким, то батарейка будет отдавать ток, а не принимать. Если напряжение будет слишком высоким, могут начаться нежелательные реакции, способные испортить элемент. Например, при поднятии напряжения обязательно будет повышаться и сила тока, в результате батарейка перегреется. А если продолжать заряжать элемент уже после того, как он будет целиком заряжен, в нем могут начать выделяться взрывоопасные газы и даже наступить взрыв.

Технологии подзарядки

Современные устройства для подзарядки - это довольно сложные электронные приборы с различными степенями защиты - как вашей, так и ваших батареек. В большинстве случаев для каждого типа элементов существует своё собственное зарядное устройство. При неправильном использовании зарядного устройства можно испортить не только батарейки, но и само устройство, или даже системы, питаемые батарейками.

Существует два режима работы зарядных устройств - с постоянным напряжением и с постоянным током.

Самыми простыми являются устройства с постоянным напряжением. Они всегда производят одно и то же напряжение, и подают ток, зависящий от уровня заряда батарейки (и от других окружающих факторов). По мере зарядки батареи, ее напряжение увеличивается, поэтому уменьшается разница между потенциалами зарядного устройства и батареи. В результате по цепи протекает меньший ток.

Всё что нужно для такого устройства - трансформатор (для уменьшения напряжения зарядки до уровня, требуемого батарейкой) и выпрямитель (для выпрямления переменного тока в постоянный, используемый для заряда батареи). Такими простыми устройствами подзарядки пользуются для заряда автомобильных и корабельных аккумуляторов.

Как правило, подобными же устройствами заряжаются свинцовые батареи для источников бесперебойного питания. Кроме того, устройства с постоянным напряжением используются и для подзарядки литий-ионных элементов. Только там добавлены схемы для защиты батареек и их хозяев.

Второй вид зарядных устройств обеспечивает постоянную силу тока и изменяет напряжение для обеспечения требуемой величины тока. Как только напряжение достигает уровня полного заряда, зарядка прекращается. (Помните, напряжение, создаваемое элементом, падает по мере разряда). Обычно такими устройствами заряжают никель-кадмиевые и никель-металлгидридные элементы.

Кроме нужного уровня напряжения, зарядные устройства должны знать, сколько времени нужно подзаряжать элемент. Батарейку можно испортить, если слишком долго подзаряжать её. В зависимости от вида батареи и от "интеллекта" зарядного устройства для определения времени подзарядки используется несколько технологий.

В самых простых случаях для этого используется напряжение, вырабатываемое батарейкой. Зарядное устройство следит за напряжением батарейки и выключается в тот момент, когда напряжение в батарейке достигает порогового уровня. Но такая технология подходит далеко не для всех элементов. Например, для никель-кадмиевых она не приемлема. В этих элементах кривая разряда близка к прямой, и определить уровень порогового напряжения бывает очень сложно.

Более "изощренные" зарядные устройства определяет время подзарядки по температуре. То есть устройство следит за температурой элемента, и выключается, или уменьшает ток заряда, когда батарея начинает нагреваться (что означает избыточность заряда). Обычно в такие элементы питания встраиваются термометры, которые следят за температурой элемента и передают зарядному устройству соответствующий сигнал.

"Интеллектуальные" устройства используют оба этих метода. Они могут перейти с большого тока заряда на малый, или же могут поддерживать постоянный ток с помощью специальных датчиков напряжения и температуры.

Стандартные зарядные устройства дают меньший ток заряда, чем ток разряда элемента. А зарядные устройства с большим значением тока дают больший ток, чем номинальный ток разряда батарейки. Устройство для непрерывной подзарядки малым током используют настолько небольшой ток, что он разве что не даёт батарейке саморазрядиться (по определению такие устройства и используются для компенсации саморазрядки). Обычно ток заряда в таких устройствах составляет одну двадцатую, или одну тридцатую номинального тока разряда батарейки. Современные устройства зарядки часто могут работать на нескольких значениях токов заряда. Сначала они используют более высокие значения тока и постепенно переключаются на низкие, по мере приближения к полному заряду. Если используется батарейка, выдерживающая подзарядку малым током (никель-кадмиевые, например, не выдерживают), то в конце цикла подзарядки устройство переключится в этот режим. Большинство зарядных устройств для ноутбуков и сотовых телефонов разработаны так, что могут быть постоянно подключены к элементам и не причинять им вреда.