V dnešním světě přenosných zařízení zákazníci požadují delší dobu hovoru a menší rozměry akumulátorů. Trh na tento požadavek reaguje nabídkou článků s větším nahuštěním energie v nejtenčím balení. Neobětujeme ale odolnost a výkon moderních akumulátorů na oltář miniaturizace? Kolik energie lze vložit do jednoho článku, aniž by se projevily aspekty kratší životnosti a snížené zátěžové charakteristiky?
S přechodem od analogových k digitálním telefonům jsou na akumulátory kladeny nové požadavky. Na rozdíl od analogového mobilního telefonu, který odebírá proud rovnoměrně, zatěžuje digitální telefon akumulátor krátkými a silnými odběrovými impulsy. Například telefon GSM vyvinutý v Evropě odebírá při provozu v okrajových oblastech příjmu při přenosu na maximální výkon až 1,7A. Obr. 1 ilustruje typické schéma zátěže telefonu GSM.
Obr. 1: GSM Waveform standard přenáší hlasová data v blocích po 567uS za dobu 4,61mS. Špička v odběru proudu se mění v závislosti na síle signálu a dosahuje 1,7 ampérů v okrajových oblastech příjmu.
K naléhavým požadavkům na akumulátory v případě digitálních mobilních telefonů je nízký vnitřní odpor. Vnitřní odpor se měří v miliohmech a vykonává v akumulátoru funkci "vrátného", který do značné do značné míry určuje dobu hovoru. Čím nižší odpor, tím menší omezení jsou kladena na akumulátor z hlediska dodání potřebného energetického impulsu. Vysoká hodnota m? často způsobuje předčasnou indikaci ´vybitý akumulátor´ u zdánlivě dobrého akumulátoru, protože nelze zajistit všechnu dostupnou energii, která v něm zůstává vázána. Obr. 2 uvádí přehled údajů o čtyřech největších světových systémech mobilních telefonů; umožňuje nám porovnat požadavky na špičkový příkon a špičkový proud. Jedná se o systémy AMP, GSM, TDMA a CDMA.
AMP |
GSM 1 |
TDMA 2 |
CDMA |
|
Typ |
Analogový |
Digitální, založen na TDMA, ovšem s vyšším výkonem |
Digitální; více přístupů podle času |
Digitální; více přístupů podle kódu |
Hlavní oblast použití |
Severní Amerika |
Evropa a část Asie |
Severní Amerika |
Severní Amerika |
Špičkový příkon |
600mW |
1 000mW |
600-1 000mW |
200mW |
Špičkový proud3 |
300mA stejnosměr. |
1 000-2 000mA |
800-1 500mW |
700mA |
V provozu od |
1985 |
1986 |
1992 |
1995-96 |
1) GSM1800 se používá v Evropě, Asii; GSM1900
v USA a Kanadě. 2) Některé sady TDMA disponují duálním režimem (analogový - zátěž 800mA stejnosměrn. proudu; digitální - 1500mA pulsní zátěž). 3) Proud se liší v závislosti na napětí akumulátoru; 3,6V akumulátor vyžaduje vyšší napětí než 7,2V akumulátor. |
Obr. 2 - Běžné systémy mobilních telefonů a jejich požadavky na proud ve špičce
Jaký akumulátor je pro digitální mobilní telefon nejlepší?
V prodejně mobilních telefonů často zákazníkovi doporučují, aby volil největší kapacitu a vyvaroval se NiCd akumulátorů kvůli potížím s ´pamětí´. Zákazník potom zvolí tenké NiMH akumulátory, protože poskytují relativně značnou kapacitu v malém balení za přijatelnou cenu.
Ačkoli je to na první pohled rozumné rozhodnutí, následující rozbor ukazuje, že lépe mohou posloužit akumulátory s jiným chemickým složením. Pokud se omezíme pouze na otázku kapacity, NiMH nabízí dobré hodnoty. Slabší stránkou je ale větší vnitřní odpor a životnost v cyklickém provozu, která často nesplňuje očekávání. Na NiMH akumulátory má podobně jako na NiCd akumulátory nepříznivý vliv paměť. K vytváření krystalů, jež způsobuje úbytek kapacity, dochází díky niklové destičce, která se používá u obou typů akumulátorů. Potíže s pamětí nemusejí být u NiMH akumulátorů natolik zjevné jako u NiCd akumulátorů, a to z důvodu jejich kratší cyklické životnosti.
U akumulátorů na niklové bázi lze paměť kontrolovat úplným vybitím akumulátorů vždy jednou za měsíc nebo za dva měsíce. Nedoporučuje se vybíjet akumulátor před každým nabíjením, protože může dojít k nadměrnému opotřebení akumulátoru a zkrácení jeho životnosti. Vhodné není ani ponechávat akumulátor delší dobu v nabíječce. V době, kdy není v provozu, je třeba akumulátor skladovat na vyhrazeném místě a dobíjet pouze před použitím.
Nejsou lepší Lithium-iontové akumulátory? V mnoha případech ano. Nevyžadují pravidelné vybíjení, protože na ně nemá vliv paměť. Od okamžiku, kdy akumulátor dosáhne úplného dobití, není aplikováno kapkové dobíjení a akumulátor může zůstat v nabíječce až do dalšího použití. Je však třeba mít na paměti, že Li-ion akumulátory stárnutím postupně ztrácejí schopnost přijímat náboj, a to i tehdy, jestliže nejsou používány. Z tohoto důvodu by namísto dlouhodobého skladování měly být neustále v oběhu, podobně jako potraviny podléhající rychlé zkáze.
Na obr. 3 je vyjádřen vztah mezi nahuštěním energie (kapacitou) a vnitřním odporem NiCd, NiMH a Li-ion systémů. Pro posouzení životnosti také uvádíme nejlepší cyklickou životnost u jednotlivých chemických složení. Je třeba mít na paměti, že pro dosažení uváděné cyklické životnosti NiCd a NiMH akumulátorů je třeba uplatnit periodické cykly vybíjení.
Typická jmenovitá kapacita u moderních akumulátorů do mobilních telefonů je 500mAh. Ačkoli je celkový požadavek na energii u digitálního telefonu nižší než u analogového, musí být digitální telefon schopen vydávat silné proudové impulsy, které často několikrát překračují jmenovitou kapacitu akumulátoru.
Niklkadmium (NiCd) |
Niklmetalhydrid (NiMH) |
Lithium ion (Li-ion) |
|
Energetická hustota na velikost článku | 4,0 Wh |
5,3 Wh |
5,3 Wh |
Vnitřní odpor | 100 - 200 m?1 |
600 - 800 m?1 |
300 - 400 m?1 |
Samovybíjení za měsíc | 20 %2 |
30 %2 |
10 %2 |
Nejlepší cyklická životnost | 15003 |
5004 |
5004 |
1Vnitřní odpor sestavy akumulátorů se liší
v závislosti na vlastnostech a počtu sériově spojených článků 2Vybíjení je nejsilnější během prvních 24 hodin, poté postupně slábne. Samovybíjení sílí s vyšší teplotou. 3Cyklická životnost je založena na používání a údržbě. Pokud nejsou uplatňovány pravidelné cykly úplného vybíjení, může se cyklická životnost až trojnásobně snížit. 4Cyklická životnost je založena na hloubce vybíjení. Mělké vybíjení dává větší počet cyklů než hluboké vybití. |
Obr. 3 - Charakteristika NiCd, NiMH a Li-ion akumulátorů z hlediska energetické hustoty, vnitřního odporu, samovybíjení a cyklické životnosti
Podívejme se na charakteristiky akumulátorů vyjádřené v rychlostech C. Vybíjení 1C u akumulátoru se jmenovitou kapacitou 500mAh je 500mA. Například telefon GSM pracující s 500mA akumulátorem, který odebírá impulsy v hodnotě 1,5A, zatěžuje akumulátor nárazovým vybíjením 3C.
Vybíjení 3C je poměrně přijatelné u NiCd akumulátorů, ale představuje problém pro Li-ion a obzvláště pro NiMH akumulátory. Na obrázku 4 porovnáváme NiCd, NiMh a Li-ion akumulátory se stejnou kapacitou při vybíjecím proudu 1C, 2C a 3C a zjišťujeme dobu hovoru na simulovaném schématu zatížení telefonu GSM.
Niklkadmium (NiCd) |
Niklmetalhydrid (NiMH) |
Lithium ion (Li-ion) |
|
Předpokládaná kapacita | 500 mAh |
500 mAh |
500 mAh |
Vnitřní odpor | 155 m? |
778 m? |
320 m? |
Doba hovoru @ 1C vybíjení | 132 min. |
119 min. |
116 min. |
Doba hovoru @ 2C vybíjení | 102 min. |
64 min. |
81 min. |
Doba hovoru @ 3C vybíjení | 82 min. |
4 min. |
39 min. |
Protože NiMH a Li-ion akumulátory nesou v porovnání s NiCd větší kapacitu vzhledem k velikosti, upravíme nyní odpovídajícím způsobem jmenovitou kapacitu, v případě NiMH o 30% na 663 mAh a v případě Li-ion o 60% na 825 mA. Poté opět zjišťujeme dobu hovoru u rychlosti vybíjení 1C, 2C a 3C a porovnáváme výsledky na obrázku 5.
Niklkadmium (NiCd) |
Niklmetalhydrid (NiMH) |
Lithium ion (Li-ion) |
|
Předpokládaná kapacita | 500 mAh |
663 mAh |
825 mAh |
Vnitřní odpor | 155 m? |
778 m? |
320 m? |
Doba hovoru @ 1C vybíjení | 132 min. |
158 min. |
191 min. |
Doba hovoru @ 2C vybíjení | 102 min. |
85 min. |
134 min. |
Doba hovoru @ 3C vybíjení | 82 min. |
5 min. |
64 min. |
Při 1C (a méně) nabízejí systémy NiMH a Li-ion s větším nahuštěním energie jednoznačné výhody oproti NiCd akumulátorům, pokud jde o aktivní dobu. Analogový mobilní telefon, notebook nebo videokamera tak budou vykazovat skutečně lepší provozní vlastnosti při napájení z NiMH nebo Li-ion akumulátoru, než by tou bylo při použití NiCd akumulátoru. Tato výhoda se však ztrácí při vyšší rychlosti vybíjení.
Nejproblematičtější hodnoty se objevují při rychlosti vybíjení 2C a 3C. Ačkoli NiCd akumulátor vykazuje kapacitu pouze 500 mAh, doba hovoru v trvání 102 minut překonává NiMH akumulátor s hodnotou 663 mAh, který nabízí pouhých 85 minut.
Při rychlosti 3C jsou výsledky ještě markantnější a NiCd akumulátor překonává všechny konkurenty. NiMH akumulátor přestává pracovat po pěti minutách hovoru, což je doba pro uživatele digitálních mobilních telefonů nepřijatelná. Také Li-ion se jmenovitou kapacitou 825 mAh nabízí kratší dobu hovoru než NiCd akumulátor.
Lepšího výkonu lze dosáhnout použitím většího akumulátoru, který také nazýváme rozšířenou sestavou. Rozšířená sestava, která je poněkud robustnější a těžší, nabízí zpravidla jmenovitou kapacitu přibližně 1000 mAh, neboli zhruba dvojnásobek tenkého akumulátoru. Pokud jde o rychlost C, snižuje se vybíjení 3C na 1,5C při použití 1000 mAh akumulátoru namísto 500 mAh.
V níže uvedeném ´přehledu výsledků testu akumulátorů´ lze vysledovat prodloužení doby hovoru při provozu na nižší rychlost C. Testované systémy akumulátorů jsou NiCd, NiMH a Li-ion. Všechny akumulátory jsou vybíjeny při simulovaném GSM zatížení bez rezervy pro klidovou nebo pohotovostní dobu.
Přehled výsledků testu akumulátorů
Kam jde energie?
Všechny tři systémy akumulátorů testované na obrázcích 6, 7 a 8 vykazují při testu v analyzéru akumulátorů dobré kapacitní hodnoty. Výrazné rozdíly ve výkonu se však objeví při odlišných hodnotách zátěže. Ukazuje se, že samotné kapacitní hodnoty nejsou při testování akumulátoru v analyzéru přesvědčivým dokladem o výkonu.
Obr. 6: Vybíjení u NiCd akumulátoru při 1C, 2Ca 3C při schématu zatížení GSM. Testovaný akumulátor má kapacitu 113%, vnitřní odpor je 155mOhm.
Obr. 7: Vybíjení u NiMH akumulátoru při 1C, 2Ca 3C při schématu zatížení GSM. Testovaný akumulátor má kapacitu 107%, vnitřní odpor je 778mOhm.
Obr. 8: Vybíjení u Li-ion akumulátoru při 1C, 2Ca 3C při schématu zatížení GSM. Testovaný akumulátor má kapacitu 94%, vnitřní odpor je 320mOhm.
Na obrázku 9 posuzujeme zdánlivě dobré akumulátory s různým chemickým složením z hlediska jejich kapacity, vnitřního odporu, doby hovoru a zbytkové kapacity. Před každým testem jsou akumulátory plně dobity, poté vybity pulsním vybíjením dle schématu GSM při rychlosti 1C, 2C a 3C. Po vypnutí napětí na konci vybíjení se akumulátory pro potřeby měření zbytkové kapacity nadále vybíjejí při mírnějším zatížení v hodnotě 0,5C stejnosměrného proudu.
1C |
2C |
3C |
|||||||
Che-mické složení |
Jmeno-vitá kapacita v mAh |
Kapacita v %2 |
Vnitřní odpor v mOhm3 |
Doba hovoru v 1C v minutách |
Zbytková kapacita v % při 0,5C4 |
Doba hovoru v 1C v minutách |
Zbytková kapacita v % při 0,5C4 |
Doba hovoru v 1C minutách |
Zbytková kapacita v % při 0,5C4 |
1 Nicd1 1 NiCd 3 Nicd |
550mAh 400mAh 550mAh |
113% 108% 80% |
155mOhm 146mOhm 220mOhm |
146 min. 115 min. 113 min. |
0% 0% 2% |
115 min. 84 min. 84 min. |
0% 1% 5% |
92 min. 74 min. 67 min. |
3% 2% 5% |
4 NiMH1 5 NiMH 6 NiMH |
500mAh 500mAh 500mAh |
107% 98% 93% |
778mOhm 628mOhm 758mOhm |
129 min. 117 min. 108 min. |
3% 0% 2% |
69 min. 84 min. 50 min. |
36% 5% 39% |
4 min. 47 min. 3 min. |
101% 37% 88% |
7 Li-ion1 8 Li-ion 9 Li-ion |
500mAh 500mAh 500mAh |
94% 96% 84% |
320mOhm 434mOhm 954mOhm |
108 min. 110 min. 73 min. |
2% 3% 15% |
76 min. 71 min. 1 min. |
14% 19% 73% |
37 min. 19 min. 1 min. |
71% 75% 84% |
1 Zkušební akumulátory podle obr.
6, 7 a 8. 2 Kapacitní hodnoty získány s Cadex C700 analyzéry akumulátorů při rychlostech C doporučených výrobcem akumulátorů. 3 Včetně odporu vodičů a stykového odporu kontaktů akumulátoru. Měřeno ohmtestem analyzéru C7000. 4 Zbývající kapacita po odpojení mobilního telefonu. Tato energie je k dispozici pouze při rychlosti vybíjení 0,5C. |
U ´pevných´ akumulátorů s nízkým vnitřním odporem je téměř veškerá energie uplatněna v užitečné části energetického spektra a zůstává velmi malá rezervní kapacita. Tento akumulátor poskytuje maximální výkon. U ´měkkých´ akumulátorů s vysokým vnitřním odporem se energie přesouvá do nevyužitelného spektra a uvolňování energie je blokováno. Rezervní kapacita u tohoto akumulátoru je velmi rozsáhlá. Tato energie je k dispozici pouze při pomalém vybíjení v hodnotě 0,5C.
Nejzajímavější hodnoty uvádí sloupec ´Zbytková kapacita´. Lze z něj vysledovat, že vysoké hodnoty m? jsou v přímém vztahu k vysoké zbytkové kapacitě. Důsledkem jsou krátké doby hovoru. Je zřejmé, že některé akumulátory jednoduše nejsou určeny pro zařízení digitálních telefonů. Ze zkušenosti je zřejmé, že akumulátor s vyšším vnitřním odporem vykazuje delší pohotovostní dobu, ale omezenou dobu hovoru. Akumulátor s nízkým odporem vykazuje dlouhou pohotovostní dobu i dlouhou dobu hovoru.
Jak se měří vnitřní odpor akumulátoru?
Existuje řada metod měření vnitřního odporu akumulátorů, přičemž každá z nich dává poněkud odlišné výsledky. Nejběžnější je metoda stejnosměrné zátěže, při níž je na akumulátor připojena zátěž vybíjecím proudem a zároveň měřen pokles napětí. Podíl hodnoty poklesu napětí a vybíjecího proudu určuje vnitřní odpor.
Metoda střídavého proudu, o níž se také hovoří jako o testu vodivosti, měří elektrochemické vlastnosti akumulátoru při uplatnění střídavého proudu. Koroze akumulátoru a jiné vady přispívající k úbytku kapacity mění vodivost akumulátoru; tuto změnu lze zjistit měřícím zařízením.
V Cadexu jsme pro měření vnitřního odporu akumulátorů vyvinuli vlastní speciální pulsní metodu. K nové verzi analyzérů C7000 byla vytvořena funkce uplatňování řady pulsů nabíjení a vybíjení pro výpočet vnitřního odporu akumulátoru na základě odchylek napětí. Tato metoda se nazývá ohmtest. Hodnoty v m? jsou získány během pěti vteřin, aniž by došlo k vybití akumulátoru.
Funkce ohmtestu umožňuje testování velkého množství akumulátorů během několika minut. Tato metoda je obzvláště užitečná pro prodejce mobilních telefonů, kteří potřebují prověřit větší množství akumulátorů krátce před jejich prodejem. Kromě toho ohmtest umožňuje zkontrolovat akumulátory na počkání v přítomnosti zákazníka.
Je třeba říci, že ohmtest neposkytuje jednoznačné závěry z hlediska stavu dobití a kondice akumulátoru. Hodnoty mohou do značné míry kolísat a závisí na chemickém složení akumulátoru, velikosti článku (hodnota mAh), typu článku, počtu článků spojených do série, vodičích a typu kontaktu. Stav dobití také hraje svoji roli. Nejlepších výsledků měření dosáhnete, jestliže změříte dobrý akumulátor, jehož výkon znáte, a použijete zjištěné hodnoty jako východisko pro srovnání. Srovnávací hodnotu je třeba znát u všech typů akumulátorů.
Nezbytné je pevné připojení ke kontaktům, protože při vadném kontaktu zařízení ukazuje vysoké hodnoty. "Krokosvorky" a dlouhé vodiče nejsou vhodné. Je třeba mít na paměti, že pro zjištění smysluplných hodnot m? musí mít akumulátor alespoň 50% náboj.
Ohmtest dodává analýze akumulátorů nový rozměr. Umožňuje vyhodnocení dobrých akumulátorů během několika minut. Ihned lze eliminovat akumulátory vykazující zvýšené hodnoty m? bez zbytečných pokusů o jejich zotavení. Obzvláště důležité je to u Li-ion akumulátorů, u nichž se do značné míry projevuje stárnutí vnitřní korozí a následným zvýšením vnitřního odporu. Tento stav nelze napravit ani opakovaným cyklováním.
Rekapitulace
Soustředíme-li se na pouhou maximalizaci kapacity akumulátorů, často opomíjíme aspekt vnitřního odporu. Hodnota m? je důležitou veličinou při výběru akumulátoru, obzvláště v případě digitálních zařízení a přístrojů vyžadujících silné proudové zatížení. Akumulátory, které jsou spolehlivé v systémech AMP, mohou být neúčinné při použití s digitálním telefonem.
Nejnižší hodnoty m? vykazuje skupina NiCd akumulátorů. Akumulátory s tímto chemickým složením však dnes bohužel nejsou u mobilních telefonů populární. Negativní publicita v souvislosti s fenoménem paměti a obavy z toxických kovů vedou zákazníky volbě alternativních typů.
Pro doporučení z hlediska výběru akumulátoru je klíčovým aspektem spokojenost zákazníků. Protože personál prodejců často nemá dostatečné znalosti o akumulátorech, přenosná zařízení někdy bývají vybavena nekompatibilními akumulátorovými systémy. Důsledkem je nedostatečný výkon zařízení, z něhož často bývá obviňován výrobce. Celé dodávky akumulátorů jsou potom vyřazovány nebo vraceny výrobci, přičemž skutečný problém spočívá ve výběru akumulátoru.
Nesprávně zvolené akumulátory již vedly mnoho uživatelů k hledání alternativních cest, jejichž důsledkem byla ztráta zakázek a nižší zisk. Protože akumulátor je nejdražší složkou mobilního telefonu a jedinou jeho součástí, která opakovaně vypovídá službu a vyžaduje výměnu, je rozumné zaměřit se na článek, který vyžaduje největší pozornost.
O autorovi
Isidor Buchmann je zakladatelem a výkonným ředitelem společnosti Cadex Electronics Inc. v Burnaby (Vancouver) v kanadské provincii British Columbia. I. Buchmann napsal řadu článků a knih o technologii údržby akumulátorů a je uznávaným autorem technických přednášek a prezentací na seminářích a konferencích po celém světě.