Используемые термины

Аккумулятор (от лат. accumulator — собиратель), устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования. Электрический аккумулятор преобразует электрическую энергию в химическую и по мере надобности обеспечивает обратное преобразование; используют как автономный источник электроэнергии
Аккумулятор, как электрический прибор, характеризуется следующими основными параметрами: электрохимической системой, напряжением, электрической емкостью, внутренним сопротивлением, током саморазряда и сроком службы. А его состояние оценивается по совокупности значений трех его основных характеристик: реальной емкости, внутреннего сопротивления и тока саморазряда. При недооценке или игнорировании какого-либо из этих параметров или преувеличении важности одного из них (как правило, емкости) можно оказаться в ситуации «у разбитого корыта».
По электрохимической системе в настоящее время для питания портативных устройств и оборудования наиболее широко распространены свинцово-кислотные SLA аккумуляторы, никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH), литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы.
Непосредственно в элементах запасается электрическая энергия при заряде. От их качества зависит и качество аккумулятора. Схема управления обеспечивает управление процессом заряда и разряда, а в некоторых случаях дополнительно идентификацию аккумулятора. В NiMH аккумуляторах схема управления содержит минимум пассивных электрорадиоэлементов, в Li-ion и Li-polymer – она может содержать и микроконтроллер.

Напряжение аккумулятора определяется тем устройством, для питания которого он предназначен. Если требуемое значение напряжения не обеспечивается одним элементом, то аккумулятор собирается из нескольких элементов, соединенных последовательно, параллельно или последовательно — параллельно.

Номинальная емкость аккумулятора — это количество электрической энергии, которой аккумулятор теоретически должен обладать в заряженном состоянии. Количество энергии определяется при разряде аккумулятора постоянным током в течение измеряемого промежутка времени до момента достижения заданного порогового напряжения. Измеряется в ампер-часах (А*час) или миллиампер-часах (mA*час). Ее значение указывается на этикетке аккумулятора или зашифровано в обозначении его типа. Практически эта величина колеблется от 80 до 110% от номинального значения и зависит от большого числа факторов: от фирмы-изготовителя, условий и срока хранения, от технологии ввода в эксплуатацию, технологии обслуживания в процессе эксплуатации, используемых зарядных устройств, условий и срока эксплуатации и т.д. Теоретически аккумулятор номинальной емкостью 600 мА*час может отдавать ток 600mA в течение одного часа, 60 мА в течение 10 часов, или 6mA в течение 100 часов. Практически же, при высоких значениях тока разряда номинальная емкость никогда не достигается, а при низких токах превышается. Для примера на Рис. 2 приведены типовые характеристики разряда Li-ion и Li-polymer элементов при различных токах разряда.
Номинальное значение емкости аккумулятора часто обозначается буквой “C”, поэтому здесь и далее часто встречаются ссылки, подобные следующим: С, 1/10 C или C/10.
Когда говорят о разряде аккумулятора, равном 1/10 C, это означает разряд током, величина которого равна десятой части от величины номинальной емкости аккумулятора. Так например, для аккумулятора емкостью 600 мА*час это будет разряд током 600/10 = 60mA.
Подобно вышесказанному о разряде аккумуляторов, при заряде значение 1/10 C означает заряд током, равным десятой части заявленной емкости аккумулятора.

Внутреннее сопротивление аккумулятора, измеряемое в миллиомах (мОм, mOm), — это хранитель аккумулятора и в значительной степени определяет длительность его работы. При более низком внутреннем сопротивлении, аккумулятор может отдать в нагрузку больший пиковый ток, а значит и большую пиковую мощность. Высокое значение сопротивления делает аккумулятор ‘мягким’ и приводит к резкому уменьшению напряжения при резком увеличении тока нагрузки. Такой коллапс напряжения характеризует ‘слабость’ внешне хорошего аккумулятора, потому что запасенная энергия не может быть полностью выдана в нагрузку (вспомните закон Ома, примеч. переводчика). С другой стороны, ‘крепкий’ аккумулятор с низким внутренним сопротивлением отдает почти всю свою энергию в нагрузку.
Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от емкости элемента и числа элементов в аккумуляторе, соединенных последовательно.
Измеряется внутреннее сопротивление аккумуляторов на специальных приборах — анализаторах аккумуляторов, например, типа приборов серии BA400

Примерные значения внутреннего сопротивления для аккумуляторов различных электрохимических систем для телефонов при напряжении аккумулятора 3.7 В приведены в таблице :

Явление саморазряда характерно в большей или меньшей степени для всех типов аккумуляторов и заключается в потере ими своей емкости после того, как они были полностью заряжены. Для количественной оценки саморазряда удобно использовать величину потерянной ими за определенное время емкости, выраженную в процентах от значения, полученного сразу после заряда. За промежуток времени, как правило, принимается интервал времени, равный одним суткам и одному месяцу. Так, например, для исправных NiCd аккумуляторов считается допустимым саморазряд до 10% в течение первых 24 часов после окончании заряда, для NiMH — немного больше, а для Li-ion пренебрежимо мал и оценивается за месяц. Следует отметить, что саморазряд аккумуляторов максимален именно в первые 24 часа после заряда, а затем значительно уменьшается. Так NiCd аккумуляторы за месяц могут потерять до 20% емкости, NiMH — до 30% и Li-ion до 8% от своей емкости. Величина саморазряда аккумулятора в значительной степени зависит от температуры окружающей среды. Так, при повышении окружающей температуры на 10 градусов по отношению с комнатной возможно увеличение саморазряда в два раза.

Срок службы (срок эксплуатации) аккумулятора характеризуется количеством циклов заряда /разряда, которое он выдерживает в процессе эксплуатации без значительного ухудшения своих параметров: емкости, саморазряда и внутреннего сопротивления. Срок службы зависит от методов заряда, глубины разряда, процедуры обслуживания или его отсутствия, температуры и химической природы аккумулятора.
Кроме того, срок службы аккумулятора определяется временем. прошедшим со дня изготовления, особенно для Li-ion аккумуляторов. Аккумулятор, как правило, считается вышедшим из строя после уменьшения его емкости до 60 — 80 % от номинального значения. Для примера ниже на графике приведена типовая зависимость количества циклов заряда / разряда для Li-ion аккумулятора при нормальных условиях.
В силу различных причин отдельные элементы в аккумуляторе могут иметь различную емкость и напряжение, что может отрицательно сказаться на его эксплуатационных параметрах.

Эффект памяти —  это обратимая потеря ёмкости, вызванная укрупнением кристаллических образований активного вещества аккумулятора и тем самым уменьшением площади его активной поверхности. NiCd и в меньшей степени NiMH аккумуляторы подвержены воздействию эффекта памяти. Часто на эффект памяти списывают потерю емкости, вызванную неправильной эксплуатацией и (или) неправильным обслуживанием аккумуляторов.

Плотность энергии — еще одна важная характеристика аккумулятора, по которой часто производят сравнение аккумуляторов различных электрохимических систем. Измеряется она в Вт*час/килограмм массы батареи. Наибольшая плотность энергии у литий-полимерные батарей (150-200 Вт*час/кг), несколько уступают им литий-ионные батареи (100-150 Вт*час/кг), а никель-металл-гидридные батареи едва дотягивают до плотности энергии 60-80 Вт*час/кг. У никель-кадмиевых — от40 до 60 Вт*час/кг, а у свинцово-кислотных около 30 Вт*час/кг. Отсюда можно сделать вывод: наименьшими размерами и весом при одинаковой емкости обладают литий-полимерные и литий-ионные батареи, несколько большими — никель-металлогидридные, еще больше — никель-кадмиевые, и уж самые громоздкие — свинцово-кислотные.

Восстановление NiCd и NiMH аккумуляторов — процесс с физической точки зрения обратный эффекту памяти — разукрупнение кристаллических образований до мелкодисперсной структуры путем контролируемого разряда небольшим током до напряжения 0.4 вольта на элемент по специальному алгоритму и на специальных приборах — анализаторах аккумуляторов, например, типа ВА400.
Условия эксплуатации аккумуляторов определяются условиями эксплуатации элементов, которые находятся внутри аккумулятора. Для различных типов элементов разных производителей эти условия различны. Отличия заключаются в способности работы элементов в области минусовых температур и в температурных условиях для быстрого заряда. Ниже приведены типовые данные для NiMH и Li-ion аккумуляторов.

NiMH аккумуляторы:

Стандартный заряд: 0°C … +45°C. Быстрый заряд: 5°C … +40°C.
Разряд: -20°C … +60°C
Хранение: -20°C … 35°C (в течение 1 года).
Хранение: -20°C … 45°C (в течение 180 дней).
Хранение: -20°C … 55°C (в течение 30 дней).
Хранение: -20°C … 65°C (в течение 7 дней).

Li-Ion и Li-Pol аккумуляторы:

Быстрый заряд: 5°C … +40°C.
Разряд: -20°C … +60°C
Хранение: -20°C … 25°C (в течение 1 года).
Хранение: -20°C … 45°C (в течение 90 дней).
Хранение: -20°C … 60°C (в течение 30 дней).

Зарядные устройства
Зарядные устройства можно классифицировать по типу заряжаемых аккумуляторов, по методу заряда и по конструктивному исполнению.
В соответствии с тремя основными методами заряда существует и три основных типа зарядных устройств:
1. Стандартное (ночное) зарядное устройство – заряд постоянным током, равным 1/10 от величины номинальной емкости аккумулятора, в течение примерно 15 часов.
2. Быстрый зарядное устройство — заряд постоянным током, равным 1/3 от величины номинальной емкости аккумулятора в течение примерно 5 часов. Такие зарядные устройства снабжаются устройством разряда аккумулятора.
3. Ускоренный или дельта V (D V) заряд – заряд с начальным током заряда, равным величине номинальной емкости аккумулятора, при котором постоянно измеряется напряжение на аккумулятора и заряд заканчивается после того, как аккумулятор полностью заряжен. Время заряда примерно 1 час. Прекращение заряда основано на регистрации отрицательного перепада (спада)  напряжения (Negative Delta V — NDV), появляющегося в герметичных NiCd и NiMH батареях при достижении ими состояния полного заряда. В NiMH этот спад меньше по величине, чем в NiCd, и потому используется в совокупности с другими методами для прекращения режима быстрого заряда NiMH батареи.

Анализаторы   аккумуляторов
В отличие от зарядного устройства анализатор аккумуляторов — это прибор, специально разработанный для проведения технического обслуживания различных типов аккумуляторов и обеспечивающий:
1. Оптимальный разряд и заряд аккумуляторов в соответствии с рекомендациями их изготовителей.
2. Количественную оценку емкости и других параметров аккумуляторов.
3. Восстановление   потерянной в результате эксплуатации номинальной емкости NiCd и NiMH аккумуляторов.
4. Одновременное независимое обслуживание аккумуляторов различных типов.