Батарейки и аккумуляторы. Тесты и сравнения

Различные устройства, требующие электропитания, прочно вошли в жизнь туриста. Фонари, GPS, телефоны, рации, фото- и видеоаппаратура. Вариантов элементов питания придумано уже много. Есть одноразовые (батарейки) и многоразовые перезаряжаемые (аккумуляторы). К сожалению, производители придумали всякие значки, классификации типа Экстра, Ультра, Плюс, Супер, Макси, Турбо и т.д, вместо того, чтобы написать внятно характеристики элементов питания. О их разновидностях и производителях, тесты и сравнительные характеристики, какие лучше использовать, в каких условиях и ситуациях, и пойдёт речь.

Поскольку элементы питания ведут себя очень по-разному при разных токах разряда, я приведу для ориентировки средние токи, потребляемые разными устройствами:

Цифровой фотоаппарат: 0,5-1,5А
Фонарь на лампе накаливания: 0,5-1А
Фонарь на одном мощном светодиоде: 0,04-1А
Фонарь на 5 слабых светодиодах: 0,04-0,1А
Бритва Gillette M3 Power: 0,08A
Детская игрушка: 0,1-0,4А
MP3 плеер: 0,1А
Кварцевые часы: 0.0001А

Если устройство питается от 1.5V батареек, посчитать примерный потребляемый ток (в А) можно, разделив ёмкость используемых батареек (в А), на количество часов непрерывной работы (или суммарное количество часов работы).

Условия проводимых тестов.

Нас интересует, какое время проработает наше устройство от конкретных батареек. Для этого будем сравнивать ёмкость батареек в различных режимах. Ёмкость будем измерять в ампер-часах (Ач). То есть, если ёмкость батарейки 1Ач(1000мАч), то при нагрузке 0,5А она проработает 2 часа, при нагрузке 0,1А – 10 часов.

Все элементы питания при разных нагрузках имеют разную ёмкость. Обусловлено это наличием внутреннего сопротивления, сильно отличающегося для разных производителей и типов. Также ёмкость сильно меняется от температуры.

Поэтому тесты проводились при 23 градС для токов разряда 250мА(0,25А), 750мА, 2500мА, а также для тока 500мА при температуре -15 градС. В тестах участвуют элементы питания типа АА.

Солевые батарейки.

Это самые дешёвые батарейки. 0,1-0,25$/шт. Срок хранения до 3-х лет.

при 2,5А и при -15 солевые батарейки вообще отказались работать.

Щёлочные батарейки. Они же Алкалайн, Алкалин.

Средние по цене, 0,5-0,8$/шт. Срок хранения до 7 лет.

при -15 емкость упала на 90%.

Литиевые батарейки.

Самые дорогие. 2,5-4$/шт. Срок хранения до 15 лет.

Они могут отдать очень большой ток, вплоть до 20 А, поэтому в паспорте к устройству должна быть указана возможность работы от таких элементов. Иначе их лучше не использовать.

Поскольку в тестах принимала участие только одна литиевая батарейка, показаны её характеристики в сравнении с солевой и щёлочной, лидерами в своих категориях. Для 250мА данных не привожу, поскольку они такие же, как для 750.

при -15 емкость упала на 20%.

Выводы по батарейкам:

Солевые батарейки совершенно не пригодны для токов более 100мА и низких температур.

Шелочные(Алкалайн) батарейки оптимальны для токов до 250мА, при больших токах сильно теряют ёмкость. Не пригодны при низких температурах. Малопригодны для фото-видеотехники (она кратковременно потребляет большие токи).

Литиевые – одинаково отлично работают при любых токах. Хорошо работают при морозе. Но, поскольку при малых токах их ёмкость только в 1.5-2 раза выше, чем у щёлочных, а цена выше в 5 раз, то для малых токов их использовать накладно. Для больших токов, как в фото-видеотехнике и мощных фонарях, они оптимальны, и замены им нет (среди батареек).

Аккумуляторы Ni-MH.

Тестировались аккумуляторы с паспортной ёмкостью более 2000мАч. Сейчас их стоимость порядка 3-5$, то есть сравнима с литиевыми батарейками. У Ni-MH аккумуляторов есть существенный недостаток – высокий ток саморазряда. За неделю их заряд падает на 10-20%, за месяц на 30%, за год – в ноль. Поэтому использовать их для слабых токов с длительным по времени разрядом бессмысленно. Но сейчас появилось новое поколение Ni-MH аккумуляторов – так называемые Ready-to-Use. Они имеют низкий ток саморазряда и продаются уже заряженными. За год такие элементы теряют всего 15-30% заряда. В тесте участвуют 3 таких аккумулятора, и выделены внизу в отдельную группу.

при морозе -15 емкость падает на 30%, также аккумуляторы портятся при заряде на морозе.

Условия эксплуатации и хранения:

— не подвергать глубокому разряду (держать заряд на уровне минимум 20%);

— не оставлять на длительное хранение разряженную батарею.

— не подвергать воздействию температур ниже  -20°C и повышенных температур;

— хранить и использовать при комнатной температуре.

Аккумуляторы Li-Ion.

Этот тип аккумуляторов тест не проходил. По двум причинам: не существует таких аккумуляторов на напряжение 1.2-1.5В. И существует всего один вид аккумуляторов форм-фактора АА – 14500, с напряжением 3.6В и ёмкостью 900мАч. У Ni-MH — 1.2В при 2700мАч. То есть по соотношению объёма к ёмкости Li-Ion аккумуляторы наравне с современными Ni-MH. По разрядным характеристикам они тоже близки. В мороз Ni-MH работают даже лучше. К тому же они долговечнее, дешевле и их можно заменить обычными батарейками. Производители устройств делают оригинальные, нестандартных форм Li-Ion аккумуляторы, что делает невозможной взаимозаменяемость.

Итоги. Батарейки против аккумуляторов.

По разрядным характеристикам Никель-металлгидридные (Ni-MH) аккумуляторы оказались на равне с литиевыми батарейками. Пока они им уступают только из-за наличия тока саморазряда, но и тут прогресс на месте не стоит. Но, если учесть, что цена их одинакова, а аккумуляторы можно перезаряжать до 1000! раз, то победу можно смело отдать аккумуляторам. Литиевые батарейки оптимальны лишь в трёх случаях: когда аккумуляторы сели и их негде зарядить. Или когда необходимо питать редко использующееся мощное устройство, например фонарь, валяющийся в машине «на всякий случай». И в наружных устройствах с малым потреблением, например заоконный термометр.

Зарядка и эксплуатация Ni-MH аккумуляторов.

Поскольку емкость и количество возможных циклов заряд/разряд сильно зависят от качества заряда, стоит подробно разобраться с этим вопросом.

Методы заряда и, соответственно, типы зарядных устройств можно разделить на четыре группы. При этом во всех случаях мы будем указывать зарядный ток через ёмкость аккумулятора: например, рекомендация заряжать током величиной «0,1С» означает, что аккумулятору ёмкостью 2700 мА*ч в такой схеме соответствует ток 270 мА (0,1*2700 = 270), а аккумулятору ёмкостью 1400 мА*ч – 140 мА.

Медленный заряд током 0,1C

Этот метод основан на том, что современные аккумуляторы легко выдерживают перезаряд (то есть попытку «залить» в них больше энергии, чем аккумулятор может хранить), если зарядный ток не превышает величины 0,1C. Если ток превышает эту величину, аккумулятор при перезаряде может выйти из строя.

Соответственно, слаботочное зарядное устройство не нуждается в каком-либо контроле окончания заряда: ничего страшного в избыточной его продолжительности нет, аккумулятор просто рассеет лишнюю энергию в виде тепла. Соответствующие зарядные устройства дёшевы и весьма широко распространены. Для зарядки аккумулятора достаточно оставить его в таком ЗУ на время не менее 1,6*C/I, где C – ёмкость аккумулятора, I – зарядный ток. Скажем, если мы берём ЗУ с током 200 мА, то аккумулятор ёмкостью 2700 мА*ч гарантированно зарядится за 1,6*2700/200 = 21 час 36 минут. Почти сутки… в общем, главный недостаток таких ЗУ очевиден – время зарядки зачастую превышает разумные величины.

Тем не менее, если вы никуда не торопитесь, такое зарядное устройство вполне имеет право на жизнь. Главное – если вы используете аккумуляторы малой ёмкости в паре с современным ЗУ, проверьте, чтобы ток зарядки (а он обязательно должен быть указан в характеристиках ЗУ) не превышал 0,1C. Также стоит учесть, что медленный заряд способствует проявлению у аккумуляторов эффекта памяти.

Заряд током 0,2…0,5С без контроля окончания заряда

Подобные зарядные устройства хоть и редко, но всё же встречаются – в основном среди дешёвой китайской продукции. При токе 0,2…0,5С они либо не имеют контроля окончания заряда вообще, либо имеют только встроенный таймер, выключающий аккумуляторы через заданное время.

Использовать подобные ЗУ категорически не рекомендуется: так как контроля окончания заряда нет, то в большинстве случаев аккумулятор окажется недо- или перезаряжен, что существенно сократит срок его жизни. Сэкономив на зарядном устройстве, вы потеряете деньги на аккумуляторах.

Заряд током до 1C с контролем окончания заряда

Этот класс зарядных устройств – наиболее универсален для повседневного применения: с одной стороны, они обеспечивают зарядку аккумуляторов за разумное время (от полутора до четырёх-шести часов, в зависимости от конкретного ЗУ и аккумуляторов), с другой, чётко контролируют окончание заряда в автоматическом режиме.

Наиболее часто встречающийся метод контроля окончания заряда – по спаду напряжения, обычно он называется «метод dV/dt», «метод отрицательной дельты» или «метод -dV». Заключается он в том, что в течение всей зарядки напряжение на аккумуляторе медленно растёт – но когда аккумулятор достигает полной ёмкости, оно кратковременно снижается. Это изменение очень небольшое, однако его вполне можно обнаружить – и, обнаружив, прекратить заряд.

Многие производители зарядных устройств также указывают в их характеристиках «микропроцессорный контроль» – но, по сути, это то же самое, что и контроль по отрицательной дельте: если он есть, то он осуществляется специализированным микропроцессором.

Впрочем, контроль по напряжению – не единственный доступный: в момент накопления аккумулятором полной ёмкости в нём резко возрастает температура корпуса, что также можно контролировать. На практике, впрочем, технически проще всего измерять напряжение, поэтому другие методы контроля окончания заряда встречаются редко.

Также многие качественные зарядные устройства имеют два защитных механизма: контроль температуры аккумуляторов и встроенный таймер. Первый останавливает зарядку, если температура превысит допустимый предел, второй – если за разумное время остановка заряда по отрицательной дельте не сработала. И то, и другое может случиться, если мы используем старые или попросту некачественные аккумуляторы.

Закончив зарядку аккумуляторов большим током, наиболее «разумные» зарядные устройства ещё некоторое время дозаряжают их малым током (менее 0,1C) – это позволяет получить от аккумуляторов максимальную возможную ёмкость. Индикатор заряда на устройстве при этом обычно гаснет, показывая, что основная стадия зарядки закончена.

Проблем с подобными устройствами бывает две. Во-первых, не все из них способны с достаточной точностью «поймать» момент спада напряжения – но, увы, это проверить можно только опытным путём. Во-вторых, хотя такие устройства обычно рассчитаны на 2 или 4 аккумулятора, большинство из них не умеют заряжать эти аккумуляторы независимо друг от друга.

Например, если в инструкции к ЗУ указано, что оно может заряжать только 2 или 4 аккумулятора одновременно (но не 1 и не 3) – это значит, что оно имеет лишь два независимых канала заряда. Каждый из каналов обеспечивает напряжение около 3 В, а аккумуляторы включаются в них попарно-последовательно. Следствия из этого два. Очевидное заключается в том, что вы не сможете зарядить в подобном ЗУ один аккумулятор. Менее очевидное – в том, что контроль окончания заряда также осуществляется только для пары аккумуляторов. Если вы используете не слишком новые аккумуляторы, то просто из-за технологического разброса одни из них состарятся немного раньше других – и если в паре попались два аккумулятора с разной степенью старения, то такое ЗУ либо недозарядит один из них, либо перезарядит второй. Разумеется, это будет только усугублять темпы старения худшего из пары.

«Правильное» зарядное устройство должно позволять заряжать произвольное количество аккумуляторов – один, два, три или четыре – а в идеале, ещё и иметь для каждого из них отдельный индикатор окончания зарядки (в противном случае индикатор гаснет, когда зарядится последний из аккумуляторов). Только в таком случае у вас будут некоторые гарантии того, что каждый из аккумуляторов будет заряжен до полной ёмкости независимо от состояния остальных аккумуляторов. Отдельные индикаторы заряда позволяют также отлавливать преждевременно вышедшие из строя аккумуляторы: если из четырёх элементов, использовавшихся вместе, один заряжается значительно дольше или значительно быстрее остальных, значит, именно он и будет слабым звеном всей батареи.

Многоканальные зарядные устройства имеют и ещё одну приятную особенность: во многих из них при зарядке половинного количества аккумуляторов можно выбирать скорость заряда. Скажем, ЗУ Sanyo NC-MQR02, рассчитанное на четыре аккумулятора формата AA, при зарядке одного или двух аккумуляторов позволяет выбирать зарядный ток между 1275 мА (при установке аккумуляторов в крайние слоты) и 565 мА (при установке их в центральные слоты). При установке трёх или четырёх аккумуляторов они заряжаются током 565 мА.

Кроме удобства в эксплуатации, ЗУ данного типа являются и наиболее «полезными» для аккумуляторов: заряд током средней величины с контролем окончания заряда по отрицательной дельте является оптимальным с точки зрения увеличения срока жизни аккумуляторов.

Отдельный подкласс быстрых зарядных устройств – ЗУ с предварительным разрядом аккумуляторов. Сделано это для борьбы с эффектом памяти и может быть весьма полезно для Ni-Cd аккумуляторов: ЗУ проследит, чтобы сначала они были полностью разряжены, и только после этого начнёт заряд. Для современных Ni-MH такая тренировка уже не является обязательной.

Заряд током более 1C с контролем окончания заряда

И, наконец, последний метод – сверхбыстрый заряд, продолжительностью от 15 минут до часа, с контролем заряда опять же по отрицательной дельте напряжения. Достоинств у таких ЗУ два: во-первых, вы почти моментально получаете заряженные аккумуляторы, во-вторых, сверхбыстрый заряд позволяет в большой степени избежать эффекта памяти.

Есть, впрочем, и минусы. Во-первых, не все аккумуляторы хорошо выдерживают быстрый заряд: недостаточно качественные модели, имеющие большое внутреннее сопротивление, могут в таком режиме перегреваться вплоть до выхода из строя. Во-вторых, очень быстрый (15-минутный) заряд может негативно влиять на срок жизни аккумуляторов – опять же, из-за их избыточного нагрева при заряде. В-третьих, такой заряд «наполняет» аккумулятор лишь до 90 % ёмкости – после чего для достижения 100 % ёмкости требуется дополнительный дозаряд малым током (впрочем, большинство быстрых ЗУ его осуществляют).

Тем не менее, если вы нуждаетесь в сверхбыстрой зарядке аккумуляторов, приобретение «15-минутного» или «получасового» ЗУ будет хорошим выходом. Разумеется, использовать с ним надо только качественные аккумуляторы крупных производителей, а также своевременно исключать из батарей отслужившие своё экземпляры.

Если же вас устраивает продолжительность заряда в несколько часов, то оптимальными по-прежнему остаются описанные в предыдущем разделе ЗУ с зарядным током менее 1C и контролем окончания заряда по отрицательной дельте напряжения.

Отдельный вопрос – совместимость зарядных устройств с разными типами аккумуляторов. ЗУ для Ni-MH и Ni-Cd, как правило, универсальны: любое из них может заряжать аккумуляторы каждого из этих двух типов. ЗУ для Ni-MH аккумуляторов с окончанием заряда по отрицательной дельте напряжения, даже если для них это не заявлено прямо, могут работать и с Ni-Cd аккумуляторами, а вот наоборот – увы. Дело здесь в том, что скачок напряжения, та самая отрицательная дельта, у Ni-MH заметно меньше, чем у Ni-Cd, поэтому не всякое ЗУ, настроенное на работу с Ni-Cd, сможет «почувствовать» этот скачок на Ni-MH.

Для других же типов аккумуляторов, включая литий-ионные и свинцово-кислотные, эти ЗУ непригодны в принципе – такие аккумуляторы имеют совершенно другую схему заряда.