Никель-металлогидридные аккумуляторы пришли на замену никель-кадмиевым, как более экологичные. Хотя по некоторым параметрам Ni-MH элементы все же уступают Ni-Cd, отсутствие токсичных компонентов сделало эти источники тока конкурентоспособными. Подзаряд никель-металлогидридных аккумуляторов имеет особенности, и их надо учитывать, чтобы не сократить период эксплуатации.
Напряжение заряженного и разряженного Ni-MH аккумулятора
Напряжение аккумулятора в начале и конце рабочего цикла определяется электрохимическим составом химического источника тока (ХИТ). У Ni-MH элемента катодом служит гидроксид никеля, а анодом – гидрид сплава никеля с редкоземельным металлом (обычно, с лантаном или литием). Такое сочетание позволяет получить наивысшее напряжение разомкнутой цепи в 1,35 вольт для единичного элемента. Фактически напряжение полностью заряженного никель-металлогидридного аккумулятора составляет 1,25 вольт, но на самом деле оно несколько нестабильно, и зависит от состояния батареи.
В качестве электролита применяется щелочь – водный раствор гидроксида калия. Электролит в химических реакциях не участвует (в отличие, например, от свинцово-кислотных ХИТ), а служит только для переноса ионов (создания проводящей среды между электродами).
Еще в конструктив аккумулятора входит сепаратор из химически нейтрального вещества (полиэтилена или полипропилена), который тоже не участвует в реакциях, а служит для предотвращения замыканий катода и анода.
В процессе цикла разряда напряжение аккумулятора уменьшается, и при достижении значения 1 вольт (или несколько ниже – до 0,9 вольт) на элемент батарею надо зарядить. Этот уровень принят за нулевой. Дальнейшая работа под нагрузкой приведет к глубокому разряду аккумулятора и выходу его из строя.
Общие параметры зарядки
Во время пополнения запаса энергии в аккумуляторе важно вовремя прервать процесс. Если отключить зарядное устройство слишком рано, батарея не зарядится до полного уровня. Если зарядка затянется слишком долго, есть риск перезарядить аккумулятор, что для него вовсе неполезно. А никель-металлоигдридные элементы достаточно чувствительны к перезаряду (менее толерантны, чем никель-кадмиевые). Контролировать процесс можно по времени, а можно по достижению электрических параметров.
Время заряда
Время заряда определяется сочетанием различных факторов. Основные из них:
- Iзар — зарядный ток, А или мА.
- q – степень разряженности батареи (вычисляется как разность между 1 и фактическим остаточным запасом энергии), для полностью разряженного аккумулятора равна 1.
- С — фактическая емкость аккумулятора, А*ч или мА*ч.
Зная эти величины, можно вычислить время, необходимое для полного подзаряда:
- t=C*q*1.4/Iзар, где:
- t – время в часах;
- 1.4 – коэфициент, учитывающий КПД процесса.
Например, если аккумулятор, реальная ёмкость которого составляет 4 А*ч и разряженный до 0,4 от максимально возможного запаса энергии, заряжать током в 0,5 А, то расчетное время составит 4*(1-0,4)*1.4/0,5=6,72 часа, то есть, около 6 часов 45 минут. Такой же полностью разряженный аккумулятор будет стоять на зарядке 4*(1-0)*1.4/0,5=11,2 часа.
Проблема состоит в том, что большинство величин, входящих в расчетную формулу, практически всегда известны лишь приблизительно. Так, фактическая ёмкость батареи задается для нового источника, а в процессе эксплуатации постепенно падает. Остаточный заряд также сложно замерить с надлежащей точностью, а КПД определяется многими условиями, включая состояние батареи, температуру и т.д., причем влияние факторов на коэффициент взаимозависимо и нелинейно. Например, при повышении температуры растет емкость ХИТ и наоборот. Точно измерить можно только ток подзаряда, да и тот желательно постоянно контролировать.
Ток зарядного устройства
Заряжают Ni-MH элементы чаще всего постоянным током, который оптимально должен иметь величину 0,1С (можно до 0,3С). Для некоторых видов Ni-MH аккумуляторов, имеющих высокоактивные электроды, может быть применен режим ускоренной зарядки током 0,3С..1С (и даже выше). Рекомендованные режимы надо смотреть в документации изготовителя ХИТ.
Методы зарядки никель металлогидридных аккумуляторов
Заряжать Ni-MH можно различными способами. Самый распространенный метод – подзаряд стабилизированным током. Контролируется окончание заряда по достижению номинального напряжения или, что более правильно, по снижению скорости нарастания напряжения при неизменном токе.
Зарядка постоянным током
В первую очередь надо отметить, что заряжать никель-металлогидридные элементы рекомендуется только после разряда до уровня, принятого за нулевой. Напряжение на выводах при этом составит 1 вольт. Иначе из-за наличия эффекта памяти ёмкость аккумулятора снизится.
При ускоренной зарядке повышенным током признаком окончания заряда может являться небольшое снижение напряжения на выводах элемента. Напряжение источника зарядного тока в этом случае должно составлять 1,4..1,5 вольт.
Ni-MH аккумуляторы чувствительны к перезаряду. Его допускать нельзя – это может привести к тепловому разгону.
Зарядка импульсным током
Этот способ еще называется метод зарядки переменным асимметричным током. При этом положительные импульсы тока заданного размаха чередуются с отрицательными импульсами небольшой амплитуды. Этот способ позволяет бороться с таким вредным явлением, как эффект памяти. Для восстановления емкости никель-металлогидридной батареи рекомендуется использовать ЗУ с такой функцией хотя бы периодически.
Рекомендуемые зарядные устройств
В продаже имеются простые зарядные устройства, из индикации у которых имеется лишь светодиод, своим погасанием сигнализирующий об окончании процесса (а иногда только индицирующим включение зарядника в сеть). Конечно, заряжать Ni-MH аккумуляторы можно и такими источниками зарядного тока, но при этом надо понимать, что схемотехника подобных ЗУ предельно упрощена в угоду стоимости. Это ведет к тому, что:
- аккумуляторы заряжаются неизвестным током, который нигде не отображается и отрегулировать его невозможно;
- непонятно по каким критериям происходит окончание заряда – индикация текущих параметров отсутствует;
- у некоторых типов ЗУ если заряжаются сразу несколько аккумуляторов, зарядка заканчивается одновременно, а это означает, что какие-то элементы остаются недозаряженными, а другие могут подвергнуться перезаряду.
Поэтому лучше использовать более продвинутые зарядники. Неплохой по соотношению стоимости и сервиса считается модель Opus BT-C700.
Ток заряда устанавливается ступенчато от 200 до 500 мА с шагом 100 мА, есть режимы 700 и 1000 мА. При необходимости прибор может доразрядить элемент до нулевого уровня (0,9..1 вольт), а также провести полноценный контрольный цикл для проверки фактической ёмкости (однократно либо трижды подряд).
Несколько дороже стоит модель Liitokala Lii-500. Ее функционал расширен – ЗУ может работать как с Ni-MH, так и с литий-ионными аккумуляторами (посадочные места рассчитаны как на формат АА, так и на 18650), а также использоваться как мобильный источник энергии (Power Bank).
Существует множество других зарядных устройств, подходящих для работы с никель-металлогидридными аккумуляторами, включая подзаряд ассиметричным переменным током. Приобрести их можно в специализированных магазинах или на онлайн-площадках. Они реализуют правильные алгоритмы зарядки, позволяющие продлить жизнь недешевых ХИТ.
