Как правильно заряжать Ni-cd и Ni-mh аккумуляторы

Никель-кадмиевые (Ni-Cd) и никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы — два основных вида щелочных химических источников тока для автономного питания аппаратуры. По устройству они во многом схожи: электролитом служит щёлочь (раствор гидроксида калия), а активным веществом положительного электрода — оксид-гидроксид никеля. Различаются они отрицательным электродом: у Ni-Cd это кадмий, у Ni-MH — металлогидридный сплав, запасающий водород. Для никель-металлогидридных аккумуляторов встречается и альтернативное, менее распространённое написание — никель-металлгидридные.

Первым появился Ni-Cd: щелочной никель-кадмиевый аккумулятор запатентовал Вальдемар Юнгнер ещё в 1899 году, так что этой технологии более ста лет. Ni-MH довели до серийного выпуска только к концу 1980-х, а в бытовых устройствах они широко разошлись в 1990-х. Выход на рынок более ёмких Ni-MH батарей поначалу вызвал настоящий фурор, но со временем выявились и их недостатки.

Особенности и применение Ni-Cd батарей

По сравнению с металлогидридными батареями, Ni-Cd имеют два главных недостатка:

• меньшая ёмкость при тех же габаритах;
• более выраженный эффект памяти.

Эффектом памяти называют «запоминание» батареей глубины разряда. Если регулярно разряжать аккумулятор не полностью и сразу ставить на заряд, он постепенно начинает отдавать энергию только до того уровня, на котором его обычно отключали: напряжение под нагрузкой проседает раньше времени, и устройство считает батарею севшей. В быту за эффект памяти часто принимают и близкое по проявлениям явление — временное снижение напряжения из-за постоянного недозаряда или перезаряда. Лечится это одинаково: два-три полных цикла «разряд до 1,0 В на элемент — полный заряд» возвращают батарее исходную отдачу. Разряжать «в ноль», до полного погасания нагрузки, нельзя: в сборке из нескольких элементов это приводит к переполюсовке самого слабого из них.

Казалось бы, при таких свойствах этот тип батарей должен был уйти в небытие. Но этого не происходит — благодаря двум другим свойствам Ni-Cd:

• высокая токоотдача — элементы спокойно отдают токи в несколько единиц C;
• способность работать при отрицательных температурах — обычно до −20 °C, а отдельные серии и ниже.

Приблизительно 90% выпускаемых сегодня Ni-Cd — это аккумуляторные сборки для электроинструмента, детских игрушек, электробритв, автономных пылесосов, медицинского оборудования и т. д. Применение в бытовом сегменте (вместо обычных одноразовых батареек) практически сведено к нулю.

Из-за токсичности кадмия применение Ni-Cd ограничено законодательно. В Евросоюзе директива 2006/66/EC запретила бытовые никель-кадмиевые батареи, а с 31 декабря 2016 года отменено и исключение для аккумуляторных сборок электроинструмента. В новых устройствах их место заняли литий-ионные аккумуляторы с высокой токоотдачей.

Зарядка Ni-Cd аккумуляторов

Один элемент имеет номинальное напряжение 1,2 В. В работе это значение меняется примерно от 1,35–1,4 В у свежезаряженного элемента без нагрузки до 1,0 В в конце разряда; ниже 1,0 В на элемент разряжать не следует. При заряде напряжение поднимается до 1,45–1,5 В, а в момент, когда ёмкость набрана, слегка падает — именно на этот перелом реагирует автоматика зарядного устройства. Падение совсем небольшое: порог срабатывания у Ni-Cd — около 5 мВ на элемент, у Ni-MH он ещё меньше (2–3 мВ). Метод так и называется — отключение по −ΔV («минус дельта V»). Работает он надёжно только при токе заряда 0,3C и выше: на малых токах перелом размывается, и зарядное его просто не увидит.

На практике срабатывать по −ΔV умеют только зарядные устройства среднего и продвинутого уровня. С простыми же приходится вручную рассчитывать, как заряжать Ni-Cd аккумуляторы.

Важный момент: никелевые аккумуляторы заряжают током, а не напряжением. Зарядное устройство работает как источник тока, а напряжение на элементе само поднимается к концу заряда до 1,45–1,6 В — задавать его не нужно. Поэтому главный параметр, который необходимо знать, — ток заряда. Он указан на самом зарядном устройстве (как правило, с тыльной стороны), причём отдельно для каждого канала.

Чтобы узнать время заряда, ёмкость аккумулятора нужно поделить на ток заряда и умножить на коэффициент потерь 1,4 — часть энергии неизбежно уходит в тепло. Например:

1000 mAh / 200 mA = 5 часов; 5 × 1,4 = 7 часов.

Каким током заряжать? Номинальный, безопасный для любого элемента ток заряда — 0,1C, где C — ёмкость батареи. Для 1000 mAh это 100 mA, и полный заряд займёт около 14 часов. Не очень удобно, поэтому почти всегда используют ускоренный режим 0,2–0,5C: он немного сокращает срок службы аккумуляторов, зато экономит время. Есть и обратная сторона малого тока: при 0,1C зарядное не может отследить окончание заряда по −ΔV, поэтому такой режим применяют только с таймером или по расчётному времени.

Важно! Средний реальный срок службы никель-кадмиевых аккумуляторов — порядка 500 циклов заряд-разряд, тогда как производитель заявляет, как правило, ДО 1000 и более. Паспортных показателей можно достичь только в идеальных условиях и чётко выдерживая номинальные режимы заряда и разряда.

Основные правила заряда никель-кадмиевых аккумуляторов

• Разряжать аккумуляторы перед каждым зарядом не нужно — это лишний цикл и лишний износ. Достаточно профилактики раз в 1–3 месяца или после 20–30 неполных циклов: разрядить элементы до 1,0 В каждый и сразу зарядить. Продвинутые зарядные устройства делают это сами (режим discharge/refresh), иначе подойдёт небольшая нагрузка — лампочка или резистор — с контролем напряжения.
• Подключить зарядное устройство (или установить в него аккумуляторы при бытовом исполнении) и дождаться отключения при полном заряде.
• Если зарядное не обеспечивает автоотключение, рассчитать необходимое время заряда по формуле выше и по его истечении отключить устройство.
• Ni-Cd спокойно переносят хранение в разряженном состоянии — это их сильная сторона. Главное, не разряжать элементы «в ноль», держать их в прохладном сухом месте, а после долгого перерыва дать 1–2 полных цикла заряд-разряд для восстановления ёмкости.

Особенности и применение Ni-MH аккумуляторов

Область применения металлогидридных батарей напрямую связана с их свойствами. Высокая ёмкость при стандартных габаритах позволила им занять место в той электронике, где одноразовые батарейки приходится менять часто: фотоаппараты и внешние фотовспышки, беспроводные мыши и клавиатуры, радиопульты и радиомикрофоны, детские игрушки.

В основном используются два размера таких элементов — AA («пальчиковые») и AAA («мизинчиковые»). Ставить их можно практически везде, где применяются одноразовые батарейки. Но не всегда это экономически оправдано: если батарейка работает в устройстве годами (настенные часы, пульт, датчик), аккумулятор с его саморазрядом только проиграет.

Номинальное напряжение Ni-MH аккумулятора — 1,2 В. Под нагрузкой оно держится почти неизменным в течение всего цикла работы и резко падает только в самом конце разряда. У одноразовой алкалиновой батарейки напряжение плавно сползает с 1,5 до 1,0 В, то есть 1,2 В — её среднее значение. Именно поэтому аккумулятор отлично заменяет батарейку в большинстве случаев. Устройства, которым нужны именно 1,5 В, встречаются редко, и иногда вопрос решается переключением режима «батарейка/аккумулятор» в меню устройства. Зато из-за «ровной» разрядной характеристики встроенный индикатор заряда с аккумуляторами почти бесполезен: он показывает полную батарею почти до момента отключения.

Внимание! Ёмкость лучших серийных элементов сегодня — около 2700–2800 mAh для AA и 1000–1100 mAh для AAA, и это уже близко к физическому пределу данной химии. Если на этикетке стоит 3000 mAh и больше, да ещё и «загадочное» название фирмы-изготовителя, перед вами гарантированный обман.

Эффект памяти при заряде никель-металлогидридных аккумуляторов выражен слабее, чем у Ni-Cd, но он есть. Первые несколько лет массовых продаж производители писали на упаковках «без эффекта памяти» — впоследствии эту надпись убрали.

Профилактический цикл «полный разряд — полный заряд» полезен и металлогидридным аккумуляторам, но проводить его достаточно изредка, а не перед каждой зарядкой.

Заряд никель-металлогидридных аккумуляторов

Заряжается Ni-MH так же, как никель-кадмиевый: током, при этом напряжение на элементе к концу заряда поднимается до 1,45–1,6 В. Допустимый ток заряда — от 0,1 до 1C, но конкретное значение зависит от модели элемента, и производители бытовых аккумуляторов обязательно указывают свою рекомендацию на корпусе или упаковке. Для обычных Ni-MH это чаще всего 0,1C (длительный заряд), а для элементов, рассчитанных на быструю зарядку, — 0,3–0,5C и выше.

Например, для элемента 2500 mAh номинальный ток заряда составляет 250 mA, а время заряда — около 14 часов. Расчёт по той же формуле: ёмкость разделить на ток заряда и результат умножить на 1,4. При таком бережном режиме можно рассчитывать на заявленное производителем количество циклов, при ускоренном срок службы уменьшается. Но учтите: на малом токе зарядное устройство не отследит окончание заряда по −ΔV, поэтому время придётся контролировать самостоятельно.

Металлогидридные батареи плохо переносят:

• перегрев;
• глубокий разряд;
• длительный перезаряд.

Перегрев возникает при слишком большом токе заряда, при продолжении заряда после того, как ёмкость набрана, и у изношенных элементов с повышенным внутренним сопротивлением. Для Ni-MH вредна любая длительная температура выше 45 °C, поэтому, если корпус элемента стал горячим (а не просто тёплым), заряд нужно прекратить. Глубокий разряд наступает сам собой при длительном бездействии: из-за саморазряда напряжение опускается ниже 1 В, и элемент начинает деградировать. После года-двух хранения без подзаряда часть аккумуляторов, скорее всего, придётся заменить. Перезаряд случается при использовании зарядного устройства без автоотключения или при неправильно рассчитанном времени заряда — вся лишняя энергия уходит в нагрев и разложение электролита.

Виды зарядных устройств и методы заряда

Зарядных устройств в продаже огромное количество. В них реализованы разные схемы отключения — или не реализованы вообще. Разделить их на группы несложно даже по внешнему виду и надписям на корпусе.

1. Простейшие. Включили в розетку — заряд пошёл, выключили — заряд закончен. Контроль времени заряда полностью лежит на пользователе. Такие устройства имеют право на существование ради экономии средств, но выбирать нужно то, которое заряжает каждый элемент отдельно. Если каналы спарены и два элемента заряжаются последовательно, возникает перекос: один недозарядится, другой уйдёт в перезаряд, и срок службы батарей сократится. Отличить несложно — количество светодиодных индикаторов должно совпадать с количеством посадочных мест.
2. С надписью AUTO. Обычно это означает лишь отключение по таймеру — чаще всего через 6–12 часов. Вариант не самый плохой: сильного перезаряда не будет, но и полного заряда может не получиться, ведь таймер ничего не знает о реальном состоянии элементов. Под такое зарядное можно подобрать аккумуляторы подходящей ёмкости. Но учтите: по мере старения батарей их ёмкость падает, и прежнее время заряда постепенно превращается в перезаряд — через 100–200 циклов режим придётся пересматривать.
3. Контроль −ΔV. Если функция реализована, производитель обязательно напишет об этом на упаковке; если надписи нет — устройство относится к предыдущему пункту. С контролем −ΔV зарядное становится полноценно автоматическим, но и здесь важна раздельная зарядка по каналам: популярные лет 10–15 назад зарядные с индексом 508 контроль −ΔV имеют, однако воспринимают все установленные аккумуляторы как одну батарею.
4. С жидкокристаллическим дисплеем. Как правило, его наличие говорит о том, что реализовано всё перечисленное выше, плюс независимые каналы и температурный контроль. Модели начального уровня с дисплеем не позволяют программировать режим и ток заряда, но со своей задачей — правильно заряжать Ni-MH и Ni-Cd батареи — справляются отлично.
5. Зарядка-комбайн. Крупнее предыдущих и предполагает выбор пользователем режима и тока заряда. Если ничего не настраивать, в режиме «по умолчанию» такое устройство заряжает небольшим током и отключается по −ΔV. Часто есть функция разряда аккумуляторов перед зарядкой — для профилактики эффекта памяти и измерения реальной ёмкости.

Чем функциональнее зарядное устройство, тем оно дороже. Но даже дорогая модель стоит примерно как 50 щелочных батареек, так что окупается довольно быстро. Зарядные такого класса обычно универсальные и позволяют заряжать, кроме никелевых аккумуляторов, ещё и литий-ионные. А также имеют функции:

• измерения реальной ёмкости;
• измерения внутреннего сопротивления батарей;
• тренировки (серии циклов разряд-заряд) для сброса эффекта памяти у никелевых аккумуляторов.

Ni-MH аккумуляторы с низким саморазрядом

Для таких элементов иногда применяют аббревиатуру LSD — от английского «low self-discharge», то есть низкий саморазряд. Самый известный пример — серия Eneloop, но похожие элементы выпускают почти все крупные производители.

В продаже такие батареи появились в 2005 году и зарекомендовали себя очень хорошо. По сравнению с обычными аккумуляторами у них ниже внутреннее сопротивление и, как следствие, выше допустимые токи разряда. Номинальная ёмкость при этом немного меньше, чем у обычных Ni-MH, но на практике это не мешает: обычный элемент теряет около 10% заряда в первые сутки после зарядки и далее до 15–20% в месяц, тогда как LSD через год хранения сохраняет 70–85% ёмкости. То есть к моменту, когда батарея действительно понадобится, в ней запасено не меньше, а часто и больше энергии.

Отличить такой аккумулятор от обычного несложно: на упаковке и на самом элементе есть надпись «ready to use», то есть «готов к использованию». Продаются они уже заряженными. Это оптимальный выбор для техники с редким включением и для любительской фотосъёмки, когда не стоит задача сделать несколько тысяч кадров за один день. Заряжают LSD-элементы точно так же, как обычные Ni-MH, — особый режим им не нужен.

Правила зарядки Ni-MH

Ответ на вопрос, как заряжать Ni-MH аккумуляторы, зависит прежде всего от того, какое у пользователя зарядное устройство. Чтобы заряжать правильно, достаточно придерживаться нескольких простых правил.

• Разряжать аккумуляторы перед каждым зарядом не нужно: Ni-MH спокойно принимают подзаряд с любого уровня. Профилактический разряд до 1,0 В на элемент полезен раз в несколько месяцев или когда заметно упало время работы.
• Заряжать при температуре окружающего воздуха от +5^oC до +35^oC, оптимально +10…+30^oC. На холоде элементы плохо принимают заряд, а длительный нагрев выше 45^oC для них вреден, поэтому не оставляйте зарядное на солнце или рядом с отопительными приборами.
• Изучить функции зарядного устройства. Если автоматического отключения нет, заранее рассчитать время заряда по формуле «ёмкость / ток заряда × 1,4».
• Установить батареи в зарядное устройство и подключить его к сети. Через некоторое время проверить нагрев аккумуляторов: лёгкое тепло к концу заряда нормально, а сильный нагрев — повод прекратить заряд.
• Отключить зарядное устройство либо по истечении расчётного времени, либо после включения соответствующей индикации (зависит от типа зарядного устройства).
• Хранить Ni-MH элементы заряженными — ориентировочно на 40% ёмкости и выше, а LSD удобнее держать заряженными полностью. Раз в 6–12 месяцев их стоит подзаряжать: если напряжение опустится ниже 1 В на элемент, для восстановления ёмкости понадобится несколько циклов заряд-разряд, и часть ёмкости может не вернуться.

При правильном заряде никель-металлогидридные аккумуляторы служат долго — от 500 до 1000 циклов заряд-разряд, а LSD-элементы выдерживают и больше. Основная причина преждевременного выхода из строя — длительное хранение без подзаряда и, как следствие, глубокий разряд. Желание отказаться от Ni-MH или Ni-Cd и перевести всю технику на литий-ионные батареи часто не оправдано: никелевые элементы дешевле, безопаснее, не требуют платы защиты и прочно занимают своё место как в бытовом сегменте, так и в промышленности.