Despre acumulatori p3

Acumulatorul reprezinta o componenta esentiala a oricarui echipament portabil. Aparate foto, camere video, telefoane mobile sau fixe cordless, laptop-uri, player-e mp3 si mp4, ca sa enumar doar citeva echipamente uzuale care imi vin rapid in minte, toate au nevoie de o sursa de alimentare cu energie electrica. Consumul de curent e intotdeauna prea mare in raport cu dorinta de miniaturizare si de creare de dispozitive cit mai usoare. Asadar, cererea de baterii reincarcabile performante reprezinta o piata importanta, ce intretine o afacere de mare interes.

In prima parte am trecut in revista tipurile de acumulatori inventati pina acum, sintetizind intr-un tabelcomparativ calitatile si defectele fiecaruia. De parca n-ar fi fost suficient, fiecare tip prezinta mai multe variante de realizare, facind grea viata utiizatorilor, care ar dori sa aiba parte de acumulatori performanti si ieftini. Dar pina una-alta, asta nu se poate. De fapt, principala problema ramine fiabilitatea, dar care depinde foarte mult de modul de exploatare al acumulatoarelor.

In partea a doua am facut un o scurta istorie tehnica a solutiilor din domeniu, pt a intelege ca rezolvarea inconvenientelor majore ale fiecarei variante au stat la baza inventarii unei clase tehnologice superioare. La momentul actual tehnologia Litiu-ion (Li-ion) detine “partea leului” in ceea ce priveste alimentarea echipamentelor miniaturizate. Din pacate, lipsa de implicare a utilizatorilor in a intelege slabiciunile si limitele tehnice ale fiecarui tip de acumulator in parte a condus la transferul “bunelor practici” invatate cu greu din experienta acumulatorilor nichel-cadmiu (Ni-cd) si nichel–hidrida_metalica (Ni-MH) la bateriile cu ioni de litiu (li-ion), cu consecinte nefaste.

Mitul efectului de memorie conduce detasat in neoficialul “Top 3” al cauzelor ce conduc la accelerarea scaderii capacitatii de incarcare (si implicit la duratei de viata) a baterilor reincarcabile. Fiindca v-am promis, discutam despre acesta in ceea ce urmeaza, intr-un mod cit mai putin tehnic cu putinta. Dar, pentru a-l intelege o data pt totdeauna, va trebui sa va spun cite ceva si despre ciclul de incarcare-descarcare al unui acumulator.

Efectul de memorie apare in cazul reincarcarii repetate a acumulatorilor Ni-Cd inainte de descarcarea lor completa. Acest fenomen a fost observat in anii ’70 la sistemele de alimentare a satelitilor de comunicatii, de aceea a devenit „faimos” si a „beneficiat” de resurse importante alocate studierii acestuia.

Desi este real, fenomenul se manifesta numai in cazuri particulare, ce presupun un cumul de conditii. Astfel, efectul de memorie se manifesta la un anumit tip de baterii (numai la cele Ni-cd) si la o anume varianta constructiva (la cei cu electrod din placa sinterizata), in urma aplicarii repetate (de sute de ori !!!) a procedurii de incarcare, inainte ca acumulatorii sa se descarce complet (mai exact in momentul in care capacitatea a scazut la cca 25%). Acest cumul de conditii s-a intilnit, repet, la bateriile de acumulatoare cu care erau dotati satelitii.

Un dispozitiv care foloseste acumulatori ce au dezvoltat efectul de memorie va „raporta” atingerea limitei de descarcare atunci cind se apropie de capacitatea avuta la momentul reincarcarilor anterioare, in cazul nostru atunci cind mai poseda inca 25% energie. Practic, acumulatorii se comporta ca si cum ar „memora” ca la acest nivel de descarcare este necesara reincarcarea. O folosire dincolo de „falsa limita” a bateriei va conduce la scaderea dramatica a tensiunii la bornele sale, conducind de obicei la „stingerea” echipamentului alimentat. Fortind o oprire si repornire a echipamentului, SURPRIZA, acumulatorul va mai permite functionarea pt inca un timp, dovedind ca scaderea tensiunii la bornele sale a fost prematura.

Daca era vorba de un telefon mobil, faptul ca ni se stingea telefonul nu ne ingrijora prea tare: il reporneam si mai beneficiam de citeva ore de stand-by sau de citeva minute de convorbiri "esentiale".

Este foarte probabil ca informatiile de mai sus sa vi se para greu de digerat in absenta unor cunostinte tehnice, si este si normal sa fie asa. Fenomenele pot fi mai bine intelese dupa ce veti afla:

Cum se descarca un acumulator

Un acumulator este caracterizat de o tensiune la borne, un curent maxim pe care il poate furniza si de o capacitate nominala. Scopul incarcarii complete al unui acumulator este, evident, acela de a alimenta un echipament pt o perioada determinata de timp. Pe masura ce se descarca in sarcina, tensiunea la borne a bateriei scade treptat, pina ajunge la o valoare limita sub care procesul de alimentare nu mai este fezabil din doua motive: pe de o parte tensiunea incepe sa scada rapid, dar, mai important, apar fenomene ireversibile care conduc la pierderea definitiva a unei fractiuni din capacitatea nominala de inmagazinare a energiei electrice.

Fig. 1: Graficul de descarcare al unui acumulator BL-4C (avind o capacitate de 850 mAh)

In exemplul de mai sus, tensiunea la borne este de 4V (mai exact 4,04V) atunci cind bateria e complet incarcata. Valoarea acesteia scade cvasi-liniar pina la valoarea de 3,5V, pe masura ce capacitatea acumulatorului scade progresiv de la 100% la 22%. Atunci cind tensiunea la borne atinge valoarea de 3,5V, telefonul incepe sa emita semnale de „baterie descarcata”. Beep-urile vor continua periodic in timp ce bateria alimenteaza aparatul in continuare, iar tensiunea incepe sa scada accelerat spre valoarea de 3,3 V. Dar in momentul in care tensiunea la bornele acumulatorului ajunge la 3,4 V, circuitul de protectie al telefonului initiaza inchiderea aparatului, prevenind astfel scaderea tensiunii spre limita periculoasa.

Fenomenul de degradare devine important la valori ale tensiunii la borne mai mici de 3V. Din motive de precautie, telefoanele sint reglate sa opreasca complet aparatul (sau sa il treaca in stand-by) la o valoare usor mai ridicata, asigurind astfel o marja de rezerva de 10-15%. Pe graficul de mai sus este marcat pragul de 3,4V, iar limita de demarcatie a zonei periculoase este figurata cu linie rosie.

Se remarca imediat un aparent paradox al graficului de mai sus. Acesta arata ca acumulatorul masurat de mine nu este capabil sa ofere mai mult de 84% din energia inmagazinata. Acest lucru se explica prin faptul ca, desi a fost construit sa inmagazineze 850 mAh, la momentul masurarii era capabil sa mai acumuleze doar 84%, adica are o capacitate reala de 84% x 850 mAh = 714 mAh. Lucru perfect explicabil, daca tin cont de faptul ca il folosesc de cca 6 luni. Cf explicatiei din partea a 2-a, acumulatorul pierde cca 20% din capacitate intr-un an, adica 10 % in 6 luni. Diferenta de 6 % ar putea proveni de la faptul ca din momentul fabricarii acestuia si pina am ajuns eu in posesia lui au mai trecut citeva luni (vreo 3 sa fie oare?).

Tabelul complet, ce contine toate valorile graficului de descarcare a acumulatorului Li-ion de 850 mAh (model BL-4C) masurat de mine poate fi accesat aici.

In tabel am figurat cu culoarea albastra valorile care corespund limitei de descarcare. Valorile trecute in rosu au fost obtinute fortind acumulatorul sa se descarce pe o rezistenta de sarcina. Aceste valori ale tensunii la borne nu se intilnesc in viata normala a unui acumulator decit intr-o situatie-limita: atunci cind este tinut o perioada mare de timp in stare descarcata.

Tinind cont de cele de mai sus si de cele aflate in partea a doua, rezulta doua concluzii importante:

(!) atunci cind doriti sa stocati un telefon pt o perioada mai mare de citeva zile, (telefon pe care aveti de gind sa-l mai folositi vreodata), incarcati-l inainte de a–l opri. Partea a 2-a dixit: stocarea ideala se obtine aducind bateria bateria undeva la 40% incarcare si punindu-l la o temperatura cit mai mica. Insa fiindca temperaturile negative distrug structura cristalina a substantei pe baza de litiu, rezulta ca valoarea optima de stocare trebuie sa fie usor superioara valorii de 0 grade. Acumulatorul ar putea fi stocat deci foarte bine in frigider (fara gluma !).
(!!) In nici un caz sa nu lasati un telefon in masina ! Vara, la 40 grade, capacitatea acumulatorului scade cu pina la 40% intr-un an. Iar daca sta peste iarna, temperaturile negative dauneaza chiar si mai rau substantei pe baza de litiu!

Fig. 2: Graficul de descarcare al unui acumulator BL-4C - detaliu

Celor interesati sa afle mai multe despre principiul si modul de functionare al acumulatorilor, le recomand citeva site-uri care trateaza in detaliu fenomenele intr-o maniera profesionista si exhaustiva:

http://batteryuniversity.com/learn/article/lithium_based_batteries
http://www.buchmann.ca/chap2-page6.asp
http://www.mpoweruk.com/soc.htm

Din pacate, conditiile exagerat de restrictive impuse re-publicarii unor informatii de pe site-urile de mai sus chiar si pe site-uri non-profit (cum este acesta) m-au determinat sa realizez propriul grafic si sa fac un rezumat al informatiilor relevante.

Acestea fiind scrise, putem reveni la subiectul acestui capitol:

Procesul de incarcare

presupune aplicarea la bornele acumulatorului a unei tensiuni electrice mai mari decit cea curenta. Cu cit diferenta intre tensiuni e mai mare, cu atit curentul de incarcare va fi mai mare. Pe timpul incarcarii, apare un fenomen de crestere a temperaturii, direct proportionala cu curentul de incarcare. Daca temperatura atinge valori mari, exista riscul ca o parte din substanta ce compune acumulatorul sa se distruga ireversibil. Prin urmare, curentul de incarcare trebuie limitat la o valoare sigura, denumit curent nominal de incarcare.

Un acumulator plasat in regim de incarcare va primi curent prin aplicarea la bornele sale a unei tensiuni mai mari decit tensiunea sa la borne la momentul incarcarii. Pe masura ce se incarca cu energie, tensiunea la borne creste treptat. La momentul incarcarii complete, tensiunea aplicata de incarcator devine egala cu cea data de acumulator, astfel ca procesul de incarcare se opreste. Daca acumulatorul este „scos” din incarcator mai devreme, acumulatorul va fi incarcat la o capacitate mai mica de 100%, in consecinta va deservi un timp mai mic echipamentul la care va fi conectat.

Daca se mareste tensiunea la bornele bateriei peste tensiunea maxima nominala a acestuia, un acumulator poate fi supus unui proces de „supraincarcare”, in incercarea de a forta un acumulator sa se incarce peste limita de 100%. Acest lucru nu este posibil insa, acumulatorul nefiind capabil sa se supra-incarce. In schimb, apar fenomene de distrugere ireversibila, care vor conduce la scaderea capacitatii reale.

Celulele nicad prezinta o curba de descarcare diferita de cea a acumulatorilor Li-ion. Curba de variatie a tensiunii la borne este mult aplatizata. Datorita variatiei mici a tensiunii la borne in functie de starea de incarcare a acumulatorului, este greu de cunoscut starea acestuia. Mai multe aflati in partea a 4-a.

Fenomenul fizic ce sta in spatele efectului de memorie este simplu: tensiunea la bornele celulei nicad este aproape constanta indiferent de starea de incarcare a bateriei, asa ca nu se poate sti cind se atinge limita de descarcare (functionare). Singura metoda prin care se poate aplica un regim corect de incarcare este aceea a masurarii timpului de incarcare intr-un incarcator dedicat capacitatii acumulatorului si tipului constructiv. Pare complicat in exploatare, dar asta este situatia.

Daca un acumulator este pus la incarcare atunci cind nu este inca complet descarcat, el va ajunge la capacitatea de 100% mai devreme. In perioada cuprinsa intre timpul standard de incarcare si timpul cind acumulatorul este deja incarcat, acumulatorul este supus unui proces de supraincarcare. In consecinta, pt a sti cit timp trebuie incarcat un acumulator ar trebui sa stim cit de descarcat este acesta la momentul incarcarii. Lucru greu de aflat daca acumulatorul alimenteaza un echipament avind o sarcina variabila…

In ultima parte veti afla cum se pot recupera acumulatorii care au dezvoltat efectul de memorie si voi incheia cu o lista de recomandari de utilizare a celor de tipul Ni-Cd, Ni-MH si Li-ion.