Электроинструмент, работающий на аккумуляторах, сейчас пользуется небывалым спросом, так как дает возможность работать автономно от сети электропитания довольно длительный срок. Такое оборудование при эксплуатации не требует дополнительной прокладки питающих удлинителей и сетевых фильтров по всему помещению, которые постоянно мешают рабочему процессу.
Многие задаются вопросом о том, какие аккумуляторы лучше подходят для аккумуляторного инструмента. Ответить на него можно, лишь сравнив достоинства и недостатки каждого типа АКБ.
Аккумулятор для шуруповерта (АКБ) – это элемент устройства, в котором аккумулируется энергетический запас, необходимый для его работы. Правильный выбор этого важного компонента влияет на будущие эксплуатационные и технические свойства оборудования.
Сегодня аккумуляторные изделия применяются повсеместно: от детских игрушек и приборов для гигиены до ноутбуков и автомобилей.
Аккумуляторы бывают различных типов и подтипов, но в комплектации электроинструмента нашли широкое применение только нижеследующие:
Каждый из этих видов АКБ имеет свои отрицательные и положительные стороны, основываясь на которых нужно выбирать электроинструмент.
Важно! При первом использовании и в дальнейшей эксплуатации важные технические характеристики аккумуляторной батареи можно измерять универсальным прибором – мультиметром.
Никель-кадмиевые батареи – самый популярный вид АКБ в шуруповертах, разработанный более века назад. Широкое распространение получил из-за достаточной энергетической емкости и высокой надежности при низкой цене.
Никель кадмиевые аккумуляторы для шуруповерта выделяются от других видов нижеследующими достоинствами:
Имея в своем запасе немало положительных сторон, никель-кадмиевые АКБ не лишены и слабых мест, а именно:
Из-за эффекта памяти в никель-кадмиевых аккумуляторах требуется регулярно проводить реанимационные мероприятия по его устранению, которые называются «прошивка памяти».
Суть этого мероприятия заключается в воздействии на аккумулирующие компоненты высокого напряжения большего от номинального показателя. Такими процедурами удается внести коррективы в эффект памяти и увеличить потерянную емкость батареи.
Интересно знать. Многие европейские государства запретили применение никель-кадмиевых аккумуляторов в различном оборудовании и приборах в целях поддержания экологии на своих территориях.
Ni-MH батареи были созданы с целью устранения существенных недостатков никель-кадмиевых АКБ и обладают следующими преимуществами:
Однако наряду со многими плюсами выделяются и существенные минусы никель-металлгидридных аккумулирующих энергию элементов:
На основе сравнения батарей такого типа с никель-кадмиевыми АКБ можно сделать вывод, что по эксплуатационным характеристикам последние значительно лучше.
Аккумуляторы, элементы которых содержат такой химический элемент, как литий, называются литий-ионными. Этот тип элементов питания обладает огромным количеством преимуществ перед прочими типами аккумуляторов.
Плюсы Li-Ion элементов питания:
Минусы литий-ионных элементов питания:
Важно! Литий-ионные АКБ бывают различных видов, отличаясь друг от друга габаритами, емкостью и прочими характеристиками. За свои отличные показатели емкости широкое применение получили литий-ионные аккумуляторы 18650, которые чаще всего используют при переделке Ni Cd батарей в литий-ионные.
Li-Pol аккумуляторы – элементы питания последнего поколения, разработанные на базе литий-ионной технологии. Главное отличие таких АКБ от литий-ионных аккумуляторов заключается в замене жидкого электролита на полимерное гелеобразное вещество. Результатом изготовителю таких аккумуляторов удалось значительно увеличить их емкостные характеристики, уменьшить вес и габаритные размеры, тем самым создавая ультратонкие элементы питания.
Также стоит отметить, что такие Li-Pol аккумулирующие изделия стали менее взрывоопасны, чем их предшественники.
Явными минусами литий-полимерных АКБ для шуруповертов являются:
Обратите внимание! Дрели и шуруповерты на базе литий-полимерных батарей встречаются достаточно редко из-за стоимости этой технологии. Как правило, они могут внедряться производителями в свою премиальную линейку электроинструмента.
Если сравнить все типы аккумуляторов между собой по основным характеристикам, выставляя оценки от 1 до 5, то получится нижеследующая рейтинговая таблица.
Сравнительная таблица аккумуляторов по видам на 12в
| Параметр | Никель-кадмиевый | Литий-ионный | Литий-полимерный | Никель-металлгидридный |
|---|---|---|---|---|
| Цена | 5 | 2 | 1 | 3 |
| Боязнь отрицательных температур | 4 | 2 | 5 | 2 |
| Емкость | 2 | 4 | 5 | 3 |
| Эффект памяти элемента | 1 | 5 | 5 | 3 |
| Саморазряд | 2 | 4 | 5 | 3 |
| Число циклов разряда-заряда | 3 | 4 | 2 | 1 |
| Токсичность | 1 | 5 | 5 | 3 |
| Боязнь глубокого разряда | 5 | 2 | 3 | 3 |
| Габариты | 1 | 4 | 5 | 3 |
| Итого баллов | 24 | 32 | 36 | 24 |
Получить однозначный ответ на вопрос о том, какой аккумулятор лучше для шуруповерта, нельзя, так как каждый тип батарей имеет свои отличительные черты и подходит для различных эксплуатационных условий.
Так никель-кадмиевые батареи в шуруповерте за свою неприхотливость могут использоваться при любой температуре окружающей среды, а из-за своей низкой стоимости и возможности находиться долгое время без зарядки этот вариант электроинструмента идеален для нечастой эксплуатации в домашних условиях.
Профессионалы отдают выбор шуруповёрту на основе литий-ионных АКБ, так как такие батареи имеют высокую емкость, быстро заряжаются, не имеют саморазряда, что дает возможность эксплуатировать его длительное время без долгих зарядок.
Важно! Есть возможность переделки одного типа аккумулятора в другой, если соблюдать определенные правила и инструкции, например, из никель-кадмиевого АКБ можно сделать литий-ионный аккумулятор, закупив необходимые компоненты, новую зарядку и прочие материалы.
Выбор шуруповерта, дрели и аккумулятора для него – дело непростое, но важное, так как именно от этого элемента зависит, справится ли инструмент с возложенными на него задачами. Рекомендуется делать свой выбор, основываясь на целях использования приборов, а также оценке достоинств и недостатков каждого типа АКБ.
Кадмиевый аккумулятор – востребованный источник энергии, который используют для комплектации бытовой техники. Они причислены к щелочным типам. Ими оснащают те агрегаты и устройства, в состав которых нельзя ввести другие модели.
В состав никель кадмиевых аккумуляторов введены минусовые и плюсовые токопроводящие выводы, для разделения которых использован сепаратор. Внутренняя часть заполнена щелочным электролитическим составом. Корпус для никель кадмиевых батарей подготовлен из специального металла, герметично запаян.
Дабы обеспечить лучший контакт, для подготовки электродов используют фольгу, которая отличается небольшой толщиной. Для конструирования сепаратора, который сосредотачивают между выводами в батареях никель кадмиевых, применяют тканое сырье. Ведь он не взаимодействует со щелочным электролитом.
Для подсоединения аккумуляторной батареи к другим никелево кадмиевым источникам питания применяют борн. В состав устройства никель кадмиевых аккумуляторов входят сварные соединения, при помощи которых обеспечивается плотное соединение.
Разрядные параметры источника питания во многом зависят от конструктивных особенностей, характеристик электродов и токовыводов. Они же предопределяют величину напряжения и внутреннего сопротивления.
Разрядные параметры зависят от:
При продолжительном разряде nicd источника специалисты рекомендуют пользоваться дисковыми батарейками, который дополнены крупногабаритными прессованными выводами. Поэтому при небольшом увеличении тока емкость разрядная, а также напряжение снижается. Дабы оптимизировать этот показатель, толщину выводов уменьшают, численность увеличивают.
Максимальное значение емкости наблюдается при комнатной температуре. Дальнейшее повышение температуры не влияет на этот параметр. Отрицательная температура провоцирует снижение разрядного напряжения, повышение разрядного тока.
Использование шуруповертов, которые укомплектованы никель-кадмиевыми источниками питания, в зимний период требует осторожности.
В процессе зарядки ni cd аккумуляторов необходимо вводить ограничения по заряду. Ведь в процесс подзарядки внутри корпуса повышается давления, вырабатывается кислород, а коэффициент применения тока понижается.
Как заряжать ni cd батарею? Дабы полностью восстановить заряд, должна быть сообщена емкость в 150–160 процентов. Температурный диапазон – 0-+35 градусов. Если не учитывать температурный диапазон, то давление повысится. Через аварийный клапан будет выделяться кислородная смесь. Поэтому важно заранее определить, как правильно заряжать аккумуляторную батарею.
Разряженный никель-кадмиевый аккумулятор заряжают в различных режимах. От того, какой режим выбран, зависит время зарядки.
Заряжая агрегат в ускоренном режиме (током в 0,4 от имеющейся емкости), перезаряд запрещен, так как это повлечет уменьшение емкости. Устанавливать, до скольки заряжен источник питания, можно с помощью соответствующих устройств. При работе с токами применяется амперметр. Дабы определить количество вольт, используют вольтметр или мультиметр.
Для заряда ni cd батареи используют реверсивные и автоматические зарядники.
Автоматическое зарядное устройство для ni cd отличается простотой использования. С его помощью можно подзарядить 2–4 батарейки для шуруповерта или другой бытовой техники. После размещения батарейки в ЗУ устанавливается режим, число. После этого агрегат подключают к сети.
Автоматические модели оснащены индикаторами, с помощью которых определяется состояние заряжаемых источников питания при работе с током. Такие устройства подходят и для того, чтобы разряжать ni cd батареи.
Импульсные зарядники отличаются более сложной конструкцией. Их можно использовать при работе со значительным током. Поскольку их относят к профессиональным агрегатам, перед использованием изучается, как зарядить источник питания, как выставить требуемые параметры.
Реверсные (импульсные) модели подходят для циклической подачи ток заряда и разряда. При разряде и заряде заранее определяются параметры тока, напряжения.
Продолжительная эксплуатация влияет на функционирование и работоспособность кадмий никелевых акб. К ухудшению работоспособности и выходу из строя приводят:
Процедура восстановления никель кадмиевых аккумуляторов, которые используются для комплектации шуруповёрта, иного портативного агрегата, занимает определенное время. Поскольку стоимость таких акб высокая, перед реализацией следует изучить особенности.
По сути, восстанавливаем никель-кадмиевый аккумулятор шуруповерта импульсным током, который подается в течение 2–4 секунд. Величина тока превышает параметры емкости в 10 и более раз.
Перед тем как восстановить АКБ, подготавливаются определенные элементы и инструменты:
Процедура восстановления включает определенные мероприятия:
По истечении одного цикла при помощи мультиметра замеряется уровень напряжения. Как только напряжение восстановилось, переходят к набору емкости. Дабы восстановить и выполнить ремонт источника питания, выполняется 2–4 цикла.
Такая методика приносит ожидаемый эффект лишь на короткий срок. Все потому, что электролитический состав меняется, изменяется и его объем. В результате, аккумуляторы как источники долго использовать нельзя.
Дабы своими руками восстановить никель кадмиевые аккумуляторы, а также обеспечить их продолжительную эксплуатацию, выполняются следующие действия:
На кадмиевые аккумуляторы правила эксплуатации подготовлены специалистами. В инструкции прописано, как хранить источники питания. Выделено несколько основных правил.
Хранить ni cd источники можно только при полной разрядке. Для этих целей используют зарядные устройства, которые оснащены соответствующей функцией. Для опустошения применяют и лампы накаливания с соответствующим количеством ампер.
Хранить аккумуляторные батареи, которые правильно подготовлены, можно долго. Температурные изменения не влияют на состояние и работоспособность.
Для хранения никель кадмиевых аккумуляторов используют помещения. Ведь температурные колебания не провоцируют разрядку, запуск необратимых процессов.
Хотя хранятся никель-кадмиевые аккумуляторы долго, на определенном этапе возникает потребность в утилизации. Для этого следует обратиться в организацию, которая выполняет подобные процессы.
Эффективность никель кадмиевых аккумуляторов сложно переоценить. Ими комплектуют портативные инструменты, используемые в быту и в промышленности. При правильном обращении, соблюдении техники безопасности и условий эксплуатации период применения превышает пять лет.
Никель-кадмиевый аккумулятор
Никель-кадмиевые аккумуляторы
Авиационная бортовая никель-кадмиевая аккумуляторная батарея 20НКБН-25-У3
Никель-ка́дмиевый аккумуля́тор (NiCd) - вторичный , в котором катодом является гидрат закиси никеля Ni(OH) 2 с графитовым порошком (около 5-8 %) , электролитом - гидроксид калия KOH плотностью 1,19-1,21 с добавкой гидроксида лития LiOH (для образования никелатов лития и увеличения ёмкости на 21-25 %), анодом - гидрат закиси кадмия Cd(OH) 2 или металлический кадмий Cd (в виде порошка). ЭДС никель-кадмиевого аккумулятора около 1,37 В, удельная энергия около 45-65 Вт·ч/кг. В зависимости от конструкции, режима работы (длительные или короткие разряды) и чистоты применяемых материалов, срок службы составляет от 100 до 9000 циклов заряда-разряда. Современные (ламельные) промышленные никель-кадмиевые батареи могут служить до 20-25 лет. Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) - единственный вид аккумуляторов, которые могут храниться разряженными, в отличие от никель-металл-гидридных аккумуляторов (Ni-MH), которые нужно хранить полностью заряженными и от литий-ионных аккумуляторов (Li-ion), которые необходимо хранить при 40%-ом заряде от ёмкости аккумулятора.
В настоящее время использование никель-кадмиевых аккумуляторов сильно ограничено по экологическим соображениям, поэтому они применяются только там, где использование других систем невозможно, а именно, в устройствах, характеризующихся большими разрядными и зарядными токами. Типичный аккумулятор для летающей модели можно зарядить за полчаса, а разрядить за 5 минут. Благодаря очень низкому внутреннему сопротивлению аккумулятор не нагревается даже при зарядке большим током. Только когда аккумулятор полностью зарядится, начинается заметный разогрев, что и используется большинством зарядных устройств как сигнал окончания зарядки. Конструктивно все никель-кадмиевые аккумуляторы оснащены прочным герметичным корпусом, который выдерживает внутреннее давление газов в тяжелых условиях эксплуатации.
Цикл разряда начинается от 1,35 В и заканчивается на 1,0 В (соответственно 100 % емкости и 1 % оставшейся емкости)
Электроды никель-кадмиевых аккумуляторов изготавливаются как штамповкой из листа, так и прессованием из порошка. Прессованные электроды более технологичны, дешевле в производстве и обладают более высокими показателями рабочей ёмкости, в связи с чем все аккумуляторы бытового назначения имеют прессованные электроды. Однако прессованные системы подвержены так называемому «эффекту памяти ». Эффект памяти проявляется, когда аккумулятор подвергают зарядке раньше, чем он реально разрядится. В электрохимической системе аккумулятора появляется «лишний» двойной электрический слой и его напряжение снижается на 0.1 В. Типичный контроллер устройства, использующего аккумулятор, интерпретирует это снижение напряжения как полный разряд батареи и сообщает, что батарея «плохая». Реального снижения энергоёмкости при этом не происходит, и хороший контроллер может обеспечить полное использование емкости аккумулятора. Тем не менее, в типичном случае, контроллер побуждает пользователя производить все новые и новые циклы зарядки. А это и приводит к тому, что пользователь своими руками, из лучших побуждений, «убивает» батарею. То есть, можно сказать, что батарея выходит из строя не столько от «эффекта памяти» прессованных электродов, сколько от «эффекта беспамятства» недорогих контроллеров.
Аккумулятор, разряжаемый и заряжаемый слабыми токами (например, в пульте дистанционного управления телевизора), быстро теряет ёмкость и пользователь считает его вышедшим из строя. Так же и аккумулятор, длительное время стоявший на подзарядке (например, в системе бесперебойного питания) потеряет ёмкость, хотя его напряжение будет правильным. То есть, использовать никель-кадмиевый аккумулятор в буферном режиме нельзя. Тем не менее, один цикл глубокой разрядки и последующая зарядка полностью восстановят ёмкость аккумулятора.
При хранении NiCd аккумуляторы также теряют ёмкость, хотя и сохраняют выходное напряжение. Чтобы избежать неверной разбраковки при снятии аккумуляторов с хранения, рекомендуется хранить их в разряженном виде, тогда после первой же зарядки аккумуляторы будут полностью готовы к использованию. Лучше всего подключить цепочку из диода и резистора на каждую банку, чтобы ограничить напряжение на уровне 0,5-0,7 В на элемент. Это также способствует выравниванию характеристик элементов, из которых состоит батарея. После длительного хранения батареи необходимо провести 2-3 цикла заряд/разряд током, численно равным номинальной емкости (1C), чтобы она вошла в рабочий режим и работала с полной отдачей.
Малогабаритные никель-кадмиевые аккумуляторы используются в различной аппаратуре как замена стандартного гальванического элемента, особенно, если аппаратура потребляет большой ток. Так как внутреннее сопротивление никель-кадмиевого аккумулятора на один-два порядка ниже, чем у обычных марганец-цинковых и марганец-воздушных батарей, мощность выдаётся стабильнее и без перегрева.
Никель-кадмиевые аккумуляторы применяются на электрокарах (как тяговые), трамваях и троллейбусах (для питания цепей управления), речных и морских судах. Широко применяются в авиации в качестве бортовых аккумуляторных батарей самолётов и вертолётов. Используются как источники питания для автономных шуруповёртов, винтовёртов и дрелей.
Несмотря на развитие других электрохимических систем и ужесточение экологических требований, никель-кадмиевые аккумуляторы остаются основным выбором для высоконадёжных устройств, потребляющих большую мощность, например, фонарей для дайвинга .
В СССР для питания электронных устройств были распространены герметичные (взрываются) дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы.
| Название аккумулятора |
диаметр мм |
высота мм |
напряжение вольт |
Ёмкость А/час |
Рекомендуемый ток разряда, мА | Применение |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Д-0,03 | 11,6 | 5,5 | 1,2 | 0,03 | 3 | фотоаппараты , слуховые аппараты |
| Д-0,06 | 15,6 | 6,4 | 1,2 | 0,06 | 12 | фотоаппараты , фотоэкспонометры , слуховые аппараты |
| Д-0,125 | 20 | 6,6 | 1,2 | 0,125 | 12,5 | аккумуляторные электрические фонарики |
| Д-0,26 | 25,2 | 9,3 | 1,2 | 0,26 | 26 | аккумуляторные электрические фонарики, фотовспышки |
| Д-0,55 | 34,6 | 9,8 | 1,2 | 0,55 | 55 | фотовспышки |
| 7Д-0,125 | 8,4 | 0,125 | 12,5 | замена батарее Крона |
Ni-Cd аккумуляторы производят множество фирм, в том числе крупные интернациональные фирмы, такие как GP Batteries Int. Ltd., VARTA, GAZ, KONNOC, METABO, EMM, Advanced Battery Factory, Panasonic/Matsushita Electric Industrial, ANSMANN и другие. Среди отечественных производителей можно назвать НИАИ (создан на базе Центральной аккумуляторной лаборатории, 1946 г.), КОСМОС и ЗАО "Опытный завод НИИХИТ".
Плавка продуктов утилизации NiCd аккумуляторов происходит в печах при высоких температурах, кадмий в этих условиях становится чрезвычайно летучим, и в случае, если печь не оборудована специальным улавливающим фильтром, токсичные вещества (например, пары кадмия) выбрасываются во внешнюю среду, отравляя окружающие территории. Вследствие этого оборудование для утилизации является более дорогим, чем для утилизации свинцовых батарей.
| Гальванический элемент | Гальванический элемент Даниеля | Щелочной элемент | | Сухой элемент | Концентрационный элемент | Воздушно-цинковый элемент | Нормальный элемент Вестона |
|---|---|
| Электрические аккумуляторы | Свинцово-кислотный | Серебряно-цинковый | Никель-кадмиевый | Никель-металл-гидридный | Никель-цинковый аккумулятор | Литий-ионный | Литий-полимерный | Литий-железо-сульфидный | Литий-железо-фосфатный | Литий-титанатный | Ванадиевый | Железо-никелевый |
Никель-кадмиевый аккумулятор (НК) является одним и старейших и наиболее хорошо изученных типов химических источников тока. Никель-кадмиевая химическая система была предложена в 1899 году Вальдемаром Джунгером, что в историческом смысле ставит НК на второе место после свинцово-кислотных аккумуляторов. Спустя сравнительно короткое время, НК аккумуляторы начали активно использоваться в различных областях индустрии, а после изобретения способа изготовления герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов (НКГ) последовало резкое улучшение эксплуатационных качеств, что еще более расширило границы применения НКГ.
Именно по этой причине, компания АО "НИАИ "Источник" специализируется на производстве НКГ аккумуляторов, обладающих высочайшими потребительскими характеристиками:
Никель-кадмиевый аккумулятор состоит из двух рабочих электродов. В разряженном состоянии положительный электрод содержит гидрат закиси никеля, а отрицательный - гидроксид кадмия. Электроды и сепаратор имеют достаточно большую пористость и пропитаны водным раствором щёлочи.
Основная реакция, протекающая в аккумуляторе, описывается уравнением:
2 Ni (OH) 2 +Cd (OH) 2
2Ni OOH+Cd+H 2 O
Во время заряда из активной массы электродов в электролит выделяется вода, которая разбавляет электролит и увеличивает его объём. Во время разряда происходит обратный процесс.
В конце заряда на положительном электроде идёт побочная реакция выделения кислорода:
4 OH - O 2 + 2 H 2 O +4e
Выделившийся на положительном электроде кислород ионизируется на отрицательном электроде.
Электроды . В герметичных призматических никель-кадмиевых аккумуляторах применяются спечённые (металлокерамические) электроды, состоящие из подложки, выполненной из растяжной никелевой решётки, на которую нанесён высокопористый слой никеля. Пористый слой заполняется активной массой с помощью химической пропитки. В последнее время в качестве основы электродов стал применяться пеноникель, получаемый никелированием пенополиуретана с последующим отжигом в восстановительной среде. В пеноникель вмазывается активная электродная масса.
Аккумуляторы . Герметичные аккумуляторы производятся в металлических корпусах. Улотнение борнов призматических аккумуляторов осуществляется, как правило, при помощи резиновых колец. В качестве сепараторов используются ткани и нетканные материалы (войлоки, фетры) из поливинилхлорида, полипропилена, полиамида, капрона и других материалов. Могут комбинироваться несколько слоёв сепараторов из различных материалов.
В герметичных аккумуляторах ёмкость отрицательного электрода должна быть больше, чем ёмкость положительного. Экспериментально определяемое соотношение емкостей должно быть не менее 1,2. Такое соотношение позволяет избежать выделения водорода на отрицательном электроде.
В качестве электролита используются 20-40 % раствор КОН с добавкой LiOH. Конкретный состав электролита выбирается в зависимости от температуры при эксплуатации. Если аккумуляторы предназначены для работы при отрицательной температуре, то концентрацию КОН повышают, а содержание LiOH уменьшают до нуля. Улучшение работоспособности при повышенной температуре достигается использованием 20-30 процентный раствора КОН с добавкой 15-50 Г/л LiOH. Для герметичных аккумуляторов большое значение имеет правильный выбор количества электролита, что также определяется условиями эксплуатации аккумулятора. Для поглощения кислорода, выделяющегося при заряде, необходимо, чтобы часть порового пространства отрицательного электрода и сепаратора была свободна от электролита. При слишком большом количестве электролита поглощение кислорода замедляется, и аккумулятор во время заряда может деформироваться (при заряде по времени) или преждевременно отключиться от заряда при срабатывании сигнализатора давления. При недостаточном количестве электролита, особенно при малых токах заряда и повышенной температуре окружающей среды аккумулятор может попасть в так называемый «тепловой разгон», когда из-за повышенной скорости ионизации кислорода аккумулятор начинает разогреваться, в результате чего напряжение на нём снижается. При ещё большем уменьшении количества электролита это начинает сказывается на разрядных характеристиках аккумулятора. В различных типах аккумуляторов количество электролита колеблется от 2 до 4 см 3 /Ач. С увеличением концентрации электролита его плотность растёт, а объём уменьшается.
Батареи . Крепление аккумуляторов в батарее должно обеспечить отсутствие перемещения любого из них при механических перегрузках. Расположение герметичных аккумуляторов в пространстве произвольное, но вниз крышкой не рекомендуется, особенно для аккумуляторов с аварийным клапаном, т.к. в конце заряда часть электролита из блока электродов стекает на крышку аккумулятора. Межэлементные соединения должны быть рассчитаны на минимальные потери напряжения и не вызывать механических нагрузок на токовыводы аккумуляторов. Пайка непосредственно к корпусу или крышке аккумулятора не допускается. В батареях из герметичных аккумуляторов рекомендуется предусматривать выводы от каждого аккумулятора, выполняемые по двухпроводной схеме, при помощи которых осуществляется поэлементный доразряд и контроль за напряжением аккумуляторов. Если поэлементный контроль вызывает затруднения, то допускается контролировать напряжение на группах из 2-5 аккумуляторов. Напряжение на каждой группе должно контролироваться автоматическим устройством, прекращающем разряд при достижении предельно допустимого напряжения. Потребление устройства на собственные нужды должно быть минимальным при работе и равным нулю при хранении батареи в составе изделия. Значения уставок должны составлять:
Если в батарее не более пяти аккумуляторов, контроль напряжения ведётся на выводах батареи. Если батарея не делится на одинаковое количество групп, то допустим перекрёстный контроль нескольких аккумуляторов соседними отключающими устройствами.
В наименовании аккумуляторов буквы НК указывают на электрохимическую систему (никель-кадмиевая). Буква Г относятся к конструктивному исполнению аккумуляторов - герметичные. После букв через тире проставляют номинальную ёмкость аккумулятора. За значением номинальной ёмкости проставляются буквы, указывающие режим разряда: К - короткий (менее 1 часа), С - средний (2-8 ч), Д - длинный (10-20 ч). Буква А ставится в тех случаях, когда аккумулятор снабжён датчиком давления. Цифры перед буквенным обозначением аккумулятора соответствуют количеству аккумуляторов в батарее. В отдельных случаях в конце обозначения записывается климатическое исполнение и категория размещения.
С 1993 г. введён ГОСТ 26367.3-93 (МЭК 622-88) на герметичные призматические никель-кадмиевые аккумуляторы, являющийся прямым применением соответствующего стандарта МЭК, которым предусматриваются следующие обозначения аккумуляторов латинским шрифтом. Первая буква K относится к никель-кадмиевой электрохимической системе. Далее записывается одна из букв, обозначающих форму корпуса: С - призматический (герметичный), R - В - дисковый. После этого для герметичных призматических аккумуляторов указывается вид положительной пластины: Р - ламельная, S - спечённая (металлокерамическая). Затем для всех типов аккумуляторов записывается режим разряда: L - длительный, М - средний, Н - короткий, Х - сверхкороткий, после чего для призматических аккумуляторов указывается номинальная ёмкость, а для дисковых и цилиндрических - диаметр и высота (через дробь). Для дисковых аккумуляторов габариты указываются в десятых долях миллиметра. В конце обозначения записывают класс стойкости к воздействию температуры. Класс I - температура от -30 до 50 о С (без обозначения); класс II - от -40 до 60 о С; класс III - от -60 до 60 о С.
Обозначение батареи состоит, как правило, из обозначения аккумулятора, перед которым стоит цифра, указывающая количество аккумуляторов в батарее. В конце иногда указывают климатическое исполнение батареи (например, 10НКГ-8К-В1). В некоторых случаях производитель даёт батарее условный индекс (например, 11МО1).
Заряд аккумуляторов, как правило, проводится постоянным током, при этом аккумуляторам сообщается 105-150 % номинальной ёмкости. Ток заряда обычно составляет 0,1-0,3 Сн. Для герметичных аккумуляторов кроме контроля времени заряда применяется также контроль конечного напряжения заряда, внутреннего давления (при помощи сигнализаторов давления) и сообщенной ёмкости (при помощи электронных счётчиков ампер-часов). В некоторых случаях применяют датчики максимального напряжения, уставка срабатывания которых зависит от температуры и (или) тока заряда, или термореле, выдающие сигнал на отключение заряда при повышении температуры до заданного значения.
Хотя герметичные аккумуляторы дороже открытых и для первых требуется более сложное зарядное и контрольно-испытательное оборудование, эксплуатационные расходы для них меньше, чем для открытых аккумуляторов, так как для герметичных аккумуляторов не требуются устройства вентиляции и периодическая доливка электролита, что связано с содержанием дополнительного персонала.
Эффективность заряда зависит от температуры и тока заряда. С увеличением тока заряда напряжение заряда возрастает. Для герметичных аккумуляторов следует избегать условий, при которых напряжение заряда достигает значений 1,6 В, т.к. это способствует выделению водорода. Для аккумуляторов, предназначенных для коротких режимов разряда, с увеличением тока заряда разрядная ёмкость возрастает, а для аккумуляторов, предназначенных для средних режимов, проходит через максимум. Оптимальным является заряд при температуре 15-25 о С током 0,1-0,5 Сн. С повышением температуры заряда и снижением тока заряда отдаваемая при разряде ёмкость снижается и может составлять до 50-70 % от номинальной. В диапазоне температур 15-25 о С возможен заряд герметичных аккумуляторов при постоянном напряжении 1,45 - 1,50 В. При напряжениях выше 1,5 В заряд при постоянном напряжении не рекомендуется, т.к. в результате перегрева аккумуляторы могут быть перезаряжены. Перезаряд аккумуляторов при заряде их от источника с постоянным напряжением опасен в результате явления, получившего название «тепловой разгон». Суть его заключается в том, что когда аккумуляторы полностью заряжены, весь ток расходуется на выделение на положительном электроде кислорода, большая часть кислорода, в свою очередь, поглощается на кадмиевом электроде, в результате чего практически всё проходящее электричество превращается в тепло, и аккумулятор начинает быстро разогреваться. С повышением температуры напряжение аккумуляторов снижается, что приводит к повышению тока заряда и дальнейшему лавинообразному разогреву. Если при комнатной температуре «тепловой разгон» открытых аккумуляторов начинается при напряжениях, близких к 1,7 В, то после длительного перезаряда, сопровождавшегося перегревом, тепловой разгон может начинаться и при напряжении 1,3 В. Обычно это происходит в процессе длительного заряда при постоянном напряжении, когда в результате разогрева аккумулятора ток ионизации кислорода на отрицательном электроде возрастает настолько, что скорость прохода кислорода через сепаратор и скорость выхода кислорода из блока электродов становятся соизмеримыми. После нескольких циклов в таких условиях кадмиевый электрод пассивируется до такой степени, что при заряде на нём выделятся водород. Для герметичных аккумуляторов тепловой разгон может начаться при напряжениях ниже 1,7 В, поскольку в них весь выделяющийся при заряде кислород должен поглотиться внутри аккумулятора. Для того чтобы избежать теплового разгона следует размещать батарею вдали от источников тепла (двигатели, мощные приборы и т.п.), тщательно выбирать режим заряда, а сам заряд проводить на автоматизированных стендах, имеющих несколько уровней зашиты (по времени заряда, напряжению, току, по ёмкости и т.д.). Необходимо, чтобы погрешность стабилизации напряжения была не более ±1 %. При выборе напряжения заряда необходимо, чтобы после сообщения аккумулятору 110 - 150 % номинальной ёмкости значение зарядного тока не превышало 0,02 - 0,003 Сн А. Заряд при повышенных напряжениях можно использовать только при одновременном ограничении его длительности. При низкой температуре заряд при постоянном напряжении теряет свою эффективность из-за значительного снижения токов заряда.
При параллельном соединении батарей заряжать их надо через разделительные диоды или подключать каждую батарею к собственному зарядному устройству. Батареи не следует длительное время хранить в заряженном или полузаряженном состоянии (кроме, конечно, батарей хранения), т.к. из-за различия токов саморазряда аккумуляторов может появиться разбаланс по степени заряженности, что с одной стороны создаёт опасность перезаряда наиболее полно заряженных аккумуляторов, что снижает ёмкость батареи вследствие падения напряжения наиболее разряженных аккумуляторов. Разбаланс по уровню заряженности может привести к переполюсовке одного из аккумуляторов во время разряда и выделению на оксидно-никелевом электроде водорода, что может сопровождаться срабатыванием клапана или сигнализатора давления и даже деформацией герметичных аккумуляторов. Перед длительным хранением в разряженном состоянии рекомендуется доразрядить каждый аккумулятор на индивидуальные резисторы до напряжения не выше 0,1 В, что позволяет выровнять заряженность аккумуляторов.
Ресурс аккумуляторов определяется как их конструкцией, так и режимом эксплуатации. Если конкретный тип аккумулятора не имеет явных конструктивных недостатков, то определяющим фактором являются условия эксплуатации. В большинстве случаев циклирование аккумуляторов является наиболее часто употребимым способом их эксплуатации. Достаточно широкое распространение получило использование аккумуляторов в аварийных режимах, когда заряженные аккумуляторы большую часть времени хранятся в заряженном состоянии, как правило, при небольшом токе подзаряда, который компенсирует саморазряд аккумуляторов и небольшое снятие ёмкости при кратковременных подключениях аккумуляторов на нагрузку.
К основным параметрам режима эксплуатации относятся ток разряда, разрядная ёмкость, способ защиты от переразряда, ток заряда, способ защиты от перезаряда, температура. При разряде никель- кадмиевые аккумуляторы нагреваются, а в начале заряда до того как начнётся интенсивное выделение кислорода - охлаждаются.
Увеличение тока разряда и снижение температуры ведут к снижению среднего напряжения разряда и потере ёмкости, если защита от перезаряда основана на прекращении разряда при снижении напряжения до достаточно высокого уровня (выше чем 1 В на аккумулятор). Срок службы существенно зависит и от глубины разряда. Он уменьшается почти в 10 раз при её изменении от 10 до 70 %.
Снижение тока заряда ведёт к увеличению длительности заряда и уменьшению коэффициента использования тока, в результате чего снижается разрядная ёмкость, особенно, если температура заряда превышает 30 о С. Увеличение тока заряда также может приводить к снижению разрядной ёмкости, если заряд прекращается при достижении достаточно низкого напряжения (менее 1,5 В при 25 о С). КПД по энергии колеблется от 70 до 85 % и растёт при увеличении напряжения разряда, снижении напряжения заряда и увеличении КПД по току.
Срок службы герметичных аккумуляторов зависит также от сочетания значений конечного напряжения заряда и конечного напряжения разряда. Наибольшие потери ёмкости происходят при циклировании режимами, где заряд ограничивается низким напряжением (около 1,48 В), а разряд - высоким напряжением (1,10 - 1,16 В). Достаточно быстро снижается ёмкость и в тех случаях, когда заряд постоянно прекращается по срабатыванию сигнализатора давления, а глубина разряда находится на уровне 15 - 20 % с ограничением разряда по напряжению (не ниже 1,09 В). В этом случае кислород не успевает поглощаться, и избыточное давление в аккумуляторе находится на уровне 123 - 147 кПа, при этом увеличивается крутизна зарядных и разрядных кривых. Изменение характеристик связано с пассивацией активных масс электродов.
Снижение напряжения разряда может вызвано образованием в активной массе кадмиевого электрода интерметаллического соединения Ni5Cd21, которое разряжается при напряжении на аккумуляторе 1,05 - 0,95 В (так называемая «вторая площадка» или «эффект памяти»). Наиболее характерно образование этого сплава для электродов, полученных пропиткой спечённых основ. Образованию сплава способствуют заряды при повышенной температуре. Интерметаллическое соединение полностью разрушается при разряде аккумулятора до 0,8 - 0,5 В. Лучше всего проводить поэлементный разряд батареи на сопротивления, при этом напряжение каждого аккумулятора снижается до нуля вольт без опасности переполюсовки. После поэлементного доразряда ёмкость аккумуляторов восстанавливается до значений, близких к первоначальным.
Потери ёмкости уменьшаются при снижении конечного напряжения разряда с 1,16 до 1,04 В и увеличении конечного напряжения заряда с 1,48 до 1,54 В. Наибольшей стабилизации ёмкости можно добиться, уменьшив конечное напряжение разряда до 0,5-0,8 В. При дополнительном проведении периодических закорачиваний на сопротивления каждого аккумулятора батареи до нуля вольт ёмкость может даже увеличиться по сравнению с начальной
В режиме длительного подзаряда используются в основном призматические аккумуляторы. Срок эксплуатации в зависимости от тока подзаряда составляет от 2 до 15 лет и более. Оптимальным является ток, численно равный 0,001 - 0,005 Сн А. При увеличении тока подзаряда срок службы и надёжность сокращаются. При эксплуатации в режиме подзаряда типы отказов те же, что и при циклировании, но их интенсивность ниже.
На первом разряде после длительного подзаряда напряжение батареи несколько ниже, чем у свежезаряженных, но после нескольких циклов оно быстро возвращается к нормальному уровню. Снижение напряжения разряда после длительного подзаряда связано с уменьшением уровня заряженности положительного электрода.
Ёмкость аккумулятора после 10 лет подзаряда до 25 %, а после 16 лет - до 35 % выше начальной, что свидетельствует об увеличении ёмкости положительного электрода. При определении ёмкости электродов в избытке электролита в негерметичном виде установлено, что ёмкость положительного электрода возросла на 58 - 70 %, а ёмкость отрицательных электродов на 10 - 13 %. Ёмкость отрицательного электрода падает. После длительного подзаряда практически весь избыток ёмкости отрицательного электрода находится в заряженном состоянии, поэтому на разряде ёмкость аккумулятора ограничивается не положительным электродом, как в начале срока службы, а обоими электродами сразу. Напряжение заряда аккумуляторов после 10 лет подзаряда находится на обычном уровне и не превышает 1,5 В. После 16 лет подзаряда на контрольном цикле напряжение заряда повышается до 1,55 - 1,58 В, а у трети аккумуляторов оно достигает 1,6 - 1,7 В, причём, повышение с 1,55 до 1,65 В происходит в конце заряда, что также является следствием избыточной заряженности отрицательного электрода. Причины этих явлений те же, что и при циклировании аккумуляторов.
Герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы нашего производства нашли самое широкое применение в космической, военной, общепромышленной и бытовой технике.
В настоящее время, АО «НИАИ Источник» является единственным в России разработчиком и одновременно изготовителем герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей для космических аппаратов. Нами выпускается 10 типов аккумуляторов НКГ, которые применяются в 21 батареях, работающих и работавших на таких космических аппаратах, как:
Кроме того, аккумуляторы типа НКГ применяются в наземных установках ракетных войск стратегического назначения, на кораблях, подводных лодках и прочих объектах, где требуется обеспечение энергий вне зависимости от обстоятельств.
Руководитель отдела никель-кадмиевых аккумуляторов,
кандидат технических наук,
Несмотря на то, что никель-кадмиевые аккумуляторы с этого года запрещены к производству в странах Евросоюза, эти неустанные труженики до сих пор используются во многих недорогих и мощных автономных устройствах (шуруповерты, электробритвы, фонари).
Даже если в инструкции по эксплуатации о типе аккумулятора устройства ничего не сказано, определить то, что именно никель-кадмиевый аккумулятор служит источником тока достаточно просто - чаще всего время зарядки указывается в диапазоне 5-12 часов и присутствует указание на необходимость самостоятельного отключение зарядного по истечению времени заряда.
Для никель-кадмиевых батарей предпочтительнее быстрая импульсная зарядка чем медленная постоянным током. Эти батареи могут выдать большую мощность, что что определяет их выбор для мощных автономных устройств. Никель-кадмиевые батареи единственный тип батарей, который выдерживает полную разрядку при большой нагрузке без каких-либо последствий. Остальные типы батарей требуют неполной разрядки при относительно невысоких мощностных нагрузках.
Никель-кадмиевые батареи не любят длительной зарядки при эпизодической небольшой нагрузке. Периодическая полная разрядка необходима для них как воздух для человека - при отсутствии полной разрядки на электродах образуются большие кристаллы металла (что приводит к проявлению так называемого "эффекта памяти") - аккумулятор скачкообразно теряет свою емкость. Для долгой и эффективной работы NiCd батарей необходимы циклы обслуживания батареи - полная разрядка с последующей полной зарядкой, исходя из большинства рекомендаций - раз в месяц, в крайнем случае раз в 2-3 месяца.
Никель-кадмиевые аккумуляторы являются самыми «дуракоустойчивыми» из современных массовых аккумуляторов - для их использования не требуется даже системы мониторирования параметров аккумулятора, что определяет их использование в недорогих и мощных устройствах.
Зарядка малыми токами за 5-12 часов позволяет обойтись без каких-либо предосторожностей в виде систем контроля заряда-разряда. При перезаряде аккумулятор просто медленно будет терять емкость (на радость производителя). Необходимо помнить об этом при использовании «bad-boy» зарядных устройств (зарядных без механизма автоматического контроля заряда). Поэтому, лучше всего заряжать полностью разряженный аккумулятор и строго соблюдать время зарядки, что позволит сохранить емкость NiCd аккумулятора достаточно долгое время.
При использовании «быстрой» зарядки (со временем заряда менее 5 часов) желательно иметь зарядное устройство с температурным датчиком, поскольку при заряде повышается температура аккумулятора, вместе с температурой растет емкость, с ростом емкости зарядный прибор может перезарядить батарею свыше необходимого уровня, что приводит к еще большему росту температуры (явление «терморазгона» аккумулятора) и, как минимум, к ухудшению параметров батареи. Подобная ситуация существует и при заряде батареи при низких температурах. Температурный датчик позволяет сдвинуть параметры заряда в зависимости от температуры аккумулятора, а также отключить батарею от заряда при превышении скорости роста температуры выше 1 градуса Цельсия в минуту или по достижении температуры батареи в 60 градусов Цельсия что позволяет избежать трагических последствий терморазгона.
В качестве иллюстрации необходимости термодатчика в зарядном могу привести пример двухлетней давности заряда никель-кадмиевой батареи для профессионального шуруповерта на зарядном без термодатчика (на фото - это самое зарядное устройство), позволяющего заряжать батарею ускоренным темпом – за час. В то время была температура в квартире около 30°C, зарядное автоматически должно заряжать аккумулятор до достижения целевого напряжения и автоматически отключаться, что английским по-белому было сказано в инструкции в разделе безопасность. Утром первый аккумулятор из комплекта был заряжен без всяких эксцессов – через 50 минут зарядное отключилось, ближе к вечеру второй аккумулятор при заряде преподнес сюрприз: из-за отсутствия термодатчика в зарядном, батарея вошла в режим терморазгона. Так как заряд был ускоренным проблема была замечена поздно – когда аккумулятор пошел дымом и стал разбрызгивать горячий электролит. Быстро отключенный от сети зарядник удалось спасти. Аккумулятор же еще долго сопел в агонии, пытаясь причинить как можно больше вреда при отходе в мир иной, однако ему это не удалось и вред ограничился стоимостью самого аккумулятора – 15USD. С тех пор зарядное подключается к сети через таймер.
Несмотря на свои недостатки, никель-кадмиевые аккумуляторы до сих пор существуют среди нас. Надеюсь, немного теории и практического опыта, изложенного в статье, позволят читателю получить от никель-кадмиевого аккумулятора своего устройства максимум того, на что он способен.
Copyright © Дмитрий Спицын, 2009.
