Можно ли утверждать, что время работы портативного оборудования питающегося от аккумуляторной батареи напрямую зависит от емкости аккумулятора?
Да, в большинстве случаев это так. Однако, применительно к переносной медицинской аппаратуре, зависимость времени работы от объема запасенной в батарее энергии, может быть нелинейной.
Ниже исследуются причины, из-за которых время работы портативной аппаратуры (в частности дефибрилляторы и кардиографы с аккумуляторным питанием) зачастую оказывается меньше указанного в инструкции, особенно при использовании аккумуляторов бывших некоторое время в употреблении:
1. Причины уменьшения емкости батареи и действия, необходимые для ее восстановления;
2. Внутреннее сопротивление аккумулятора и его влияние на время работы;
3. Саморазряд и причины отключения портативного оборудования при заряженной батарее.
4. Напряжение батареи и его изменение в период эксплуатации батареи.
1. Уменьшение емкости батарей в процессе эксплуатации.
Объем энергии, запасаемой батареей (емкость), постепенно сокращается в процессе использования, старения, и неправильного обслуживания аккумуляторных батарей. Новая батарея со 100% емкостью постепенно теряет первоначальную емкость и по достижении значений емкости в 70 – 60% такую батарею желательно заменить. Как правило типовой порог работоспособности батареи в части емкости составляет 80%.
Примечание: на практике остаточный ресурс по емкости NiCd батарей питающих переносную медицинскую аппаратуру (дефибрилляторы и кардиографы) составляет еще меньшую величину – 20…30%. Это связано с дефицитом денежных средств на тестирование, восстановление и замену батарей.
Общая емкость батареи может быть разделена на три воображаемые зоны:
1. Зона, содержащая энергию.
2. Незаполненный объем, который можно дозарядить.
3. «Камень» — часть батареи непригодная к использованию.
В никель-кадмиевых и металл-гидридных аккумуляторах «камнем» именуются крупнокристаллические образования (откуда и взялся термин), не принимающие заряд. Иначе это явление называется «эффектом памяти».
Емкость никель-кадмиевых и металл-гидридных батарей, как правило, можно восстановить путем тренировки, то есть проведением нескольких циклов заряд/разряд по специальной методике на анализаторах батарей.
На данный момент существуют методы более эффективные, нежели простое проведение циклов заряд /разряд.
Один из них заключается в том что, разряд батареи происходит в два этапа: сначала батарея разряжается номинальным током до 1В на ячейку, а затем происходит медленный разряд ячеек практически до нуля (обычно до 0,4В на элемент). Этот метод применяется для разрушения кристаллических формаций и восстановления первоначальной структуры ячеек.
Применяя этот метод восстановления можно восстановить, от 60% до 70% NiCd батарей, направляемых на утилизацию, до их первоначальной емкости. Все же необходимо отметить, старая восстановленная батарея может иметь высокий ток саморазряда, возникающий из-за повреждений сепаратора отдельных ячеек. Такое повреждение может иметь место, когда аккумулятор находится в эксплуатации длительное время без проведения периодического обслуживания.
2. Внутреннее сопротивление и его влияние на эксплуатационные характеристики батарей.
Одна из основных характеристик аккумуляторной батареи это внутреннее сопротивление.
Внутреннее сопротивление по большому счету определяет производительность батареи. Если при работе с аккумулятором с высоким внутренним сопротивлением потребуется обеспечить большой ток нагрузки, то выходное напряжение аккумулятора будет падать за счет большого падения на внутреннем сопротивлении батареи.
Поскольку потребление тока дефибрилляторами и кардиографами носит импульсный характер, то в пиковые моменты потребления тока напряжение аккумулятора может упасть до нижнего предела напряжения питания и прибор сообщит (если конечно такая функция имеется), что аккумулятор разряжен не смотря на то, что до полного разряда еще далеко. Более того, иногда можно наблюдать картину, когда прибор выдает сообщение о разряде батарей с полностью заряженным аккумулятором со 100% емкостью. Батарея с высоким внутренним сопротивлением может нормально функционировать при небольшой DC нагрузке аналогичной нагрузке карманного фонарика или портативного CD проигрывателя. С подобной нагрузкой основная часть заряда батареи будет использована, так как высокое внутреннее сопротивление не играет особой роли в данном случае .
Рост внутреннего сопротивления у батарей разного типа химии вызван разными причинами. У никель-кадмиевых и металл-гидридных аккумуляторов он напрямую связан с эффектом памяти. Рекомендуется раз в месяц проводить циклы тренировки или хотя бы полностью разряжать никель-кадмиевые и металл-гидридные аккумуляторы. Если подобное обслуживание не проводится в течение трех-четырех месяцев, емкость аккумулятора может упасть на треть или более, при этом восстановление подобного аккумулятора сильно затрудняется. Регулярно проводимые циклы тренировок понижают внутренне сопротивление батареи.
Однако, не рекомендуется полностью разряжать батарею перед каждой подзарядкой, как это делают некоторые зарядные устройства, т.к. это приводит к преждевременному изнашиванию ячеек и уменьшению срока службы аккумулятора. Так же не рекомендуется оставлять батарею в зарядном устройстве после подзарядки .
2.1.Методы измерения внутреннего сопротивления.
Существует несколько способов измерить внутреннее сопротивление батареи.
Один из самых распространенных — метод постоянной нагрузки заключающийся в измерении падения напряжения относительно номинального напряжения батареи в процессе ее разряда. Падение напряжения, деленное на ток, дает внутреннее сопротивление.
Метод переменного тока, так же известный как тест проводимости, измеряет электрохимические характеристики батареи при воздействии на нее переменного тока. Дефекты батареи, вызывающие потерю емкости, влияют на проводимость аккумулятора, что считывается измерителем анализатора батарей.
3.Высокий ток саморазряда и его влияние на долговечность батарей.
Ток саморазряда – это параметр присущий аккумуляторным батареям любого типа. Аналогично сжатой пружине , батарея стремится вернуться в разряженное состояние. NiCd и NiMH батареи обладают наиболее высоким током саморазряда в сравнении с другими типами батарей. NiCd батарея теряет в среднем 10% заряда в течение первых 24 часов после окончания заряда. По прошествии одних суток потеря емкости составляет порядка 10% месяц.
Саморазряд, может происходить из-за повреждения сепаратора, когда крупнокристаллические формации слипшихся кристаллов пробивают его. Сепаратором принято называть тонкую пластину, разделяющую положительный и отрицательный электроды.
Этого можно избежать, нанося меньше активного материала на пластинки электродов при производстве. В этом случае ухудшается емкость, но улучшаются показатели расширения/ сжатия пластин при заряде /разряде, характеристики нагрузки и увеличивается ресурс – количество циклов заряд /разряд.
Поврежденный сепаратор невозможно восстановить проведением циклов заряд /разряд даже на анализаторах батарей. Причинами этого являются неправильное обслуживание, его отсутствие или применение некачественных зарядных устройств.
Другая причина, вызывающая потерю заряда, это истощение ресурса батареи. У изношенной батареи пластинки электродов разбухают, слипаясь, друг с другом, что приводит к повышению тока саморазряда.
График тока саморазряда не линеен и достигает максимального значения сразу после окончания заряда, когда батарея полностью заряжена. Высокопроизводительные батареи с увеличенной площадью электродов и высокопроводящим электролитом подвержены саморазряду в большей степени, чем менее производительные модели .
При повышении температуры, ток саморазряда увеличивается у всех типов аккумуляторов.
Считается, что при повышении температуры на 10°С ток саморазряда увеличивается вдвое. Например, потери энергии очень велики у батареи оставленной в закрытом автомобиле жарким летом. Выглядит впечатляюще, когда в течение суток батарея, за счет саморазряда теряет больше энергии, чем от прямого использования.
Ток саморазряда постепенно увеличивается с возрастом батареи и количеством отработанных циклов заряд/разряд. К примеру, возрастающий ток саморазряда делает непригодной к использованию NiMH батарею после 300-400циклов заряд/разряд, а NiCd — после 1000 циклов.
Проведение циклов заряд/разряд или процедура восстановления не помогут в этом случае, единственной альтернативой остается заменить поврежденные ячейки или саму батарею.
Саморазряд может быть вычислен с помощью анализатора аккумуляторных батарей по следующему алгоритму:
1 . Батарея полностью заряжается и измеряется ее емкость (номинальным током и измеряется время разряда).
2. Батарея заново заряжается и оставляется в покое в течение 24 часов, после чего измеряется емкость.
Более точные показатели величины саморазряда могут быть получены, если оставить батарею в покое на 72 часа или более. Больший период покоя компенсирует относительно высокий саморазряд в первые сутки после полной зарядки батареи. После 72 часов потеря емкости не должна превышать 15–20%. Наиболее точные результаты величины саморазряда могут быть получены после семи дней покоя батареи.
4.Напряжение питания и его изменение.
Любая грамотно разработанная портативная техника должна быть рассчитана на использование полного объема энергии батареи. Это означает, что если в процессе разряда батарея обеспечивает напряжение в диапазоне, например 6,0В –7,5В, то и питаемое ей устройство должно быть рассчитано на этот диапазон напряжений. Тем не менее, порог напряжения питания в технике некоторых хорошо известных на рынке производителей, значительно выше, чем минимальное напряжение в батарее.
Можно сказать, что проблема завышенного порога отключения питания в большей степени касается разработчика оборудования, чем проблем пользования аккумулятора. Но пока производитель решает эту проблему, подобное оборудование будет появляться на рынке и соответственно покупаться. Необходимо обратить внимание возможного пользователя на то, что портативная аппаратура с завышенным порогом отключения питания еще более требовательна к аккумуляторной батарее, ведь ее успешная эксплуатация возможна только при использовании качественной батареи с высоким максимальным напряжением .
Причины пониженного, относительно номинала, напряжения аккумуляторных батарей это:
1. Короткое замыкание в ячейках батареи
2. Эффект памяти (только у никелевых аккумуляторов при отсутствии правильного обслуживания).
3. Повышение температуры так же может привести к понижению напряжения на батарее. Эффект понижения напряжения в этом случае временный, напряжение вернется к номинальному когда батарея остынет.
Выводы:
1. Состояние аккумулятора необходимо оценивать комплексно. Как минимум по трем параметрам: внутреннему сопротивлению, емкости и току саморазряда.
2. Аккумуляторные батареи необходимо регулярно обслуживать на специализированной аппаратуре — анализаторах батарей.
3. В случае невозможности такого обслуживания, к сожалению, необходимо заменять парк аккумуляторных батарей, находящихся в эксплуатации раз в 2-3 года на 100%.
Russian 
English