Как работает аккумулятор и зарядка для мобильных устройств

Как работает аккумулятор

В наше время у каждой семьи в пользовании находится большое количество электронных устройств. Телефоны, смартфоны, фонарики, планшеты, игрушки для детей всех возрастов и многие другие бытовые приборы нуждаются в питании от переносных источников тока: батареек или аккумуляторов.

Источники питания создаются для длительной эксплуатации, но могут быстро выйти из строя по неосторожности. Чтобы максимально использовать заложенный в них ресурс производителя рекомендуем ознакомиться с особенностями работы аккумуляторов различных конструкций, правилами их зарядки и безопасного обращения.

Самым нетерпеливым читателям можно сразу перейти к правилам зарядки, рекомендуемым заводом. Они приведены в конце. Однако, последовательное прочтение материала позволит лучше понять их особенности и правильно применять на практике.


Как устроен и работает аккумулятор

Весь широкий ассортимент аккумуляторной продукции работает по единому принципу преобразования энергии химических процессов в электрическую. Для ее протекания создана специальная конструкция.

Принципы устройства аккумулятора

Герметичный сосуд, который называют банкой, заполняют электролитом. В него помещают две отделенные друг от друга пластины из разных металлов, именуемых электродами. На них образуется разность электрических потенциалов, которая способна совершать полезную работу.

Устройство аккумулятора
Для повышения мощности энергии банки с пластинами делают увеличенных размеров или подключают параллельными цепочками. Чтобы поднять выходное напряжение их соединяют последовательно. Такие конструкции называют аккумуляторными батареями.

Классификация

По видам электролита аккумуляторы делят на:

  • жидкостные;
  • гелевые.

По конструктивным особенностям жидкостные аккумуляторы разделяют на:

  • кислотные;
  • щелочные;
  • солевые.

Конструкции кислотных аккумуляторов используются относительно редко. Они могут встретиться в бюджетных моделях фонариков, где работают совместно с зарядным устройством.

Ручной фонарь с кислотным аккумулятором
Аккумуляторы щелочного типа, как правило, имеют повышенные габариты. Раньше их применяли для освещения в переносных фонарях, но сейчас подобные конструкции не удобны для работы и перестали применяться.

Раритетный фонарь с щелочными аккумуляторами
В мобильных устройствах для домашнего применения популярны модели аккумуляторов:

  • свинцово-кислотных (Pb+H2SO4);
  • никель-кадмиевых (Ni-Cd);
  • никель-цинковых (Ni-Zn);
  • никель-металл-гидридных (Ni-Mh);
  • литий-ионных (Li-ion);
  • литий-полимерных (Li-Pol)

Конструктивные особенности различных моделей

Типовое устройство батареи аккумуляторов, состоящей из отдельных банок с набором вставленных в них положительных и отрицательных пластин, последовательность их расположения можно наблюдать на примере кислотной аккумуляторной батареи.

Устройство кислотной аккумуляторной батареи
Конструкции цилиндрических или «пальчиковых» моделей представлены разрезанным видом для литий-ионного аккумулятора с поясняющими надписями для каждого слоя.

Цилиндрический литиево-ионный аккумулятор

Внешний вид аккумуляторов

Габариты и форма источников тока создаются для удобного их расположения в гнездах мобильных устройств, надежного питания потребителей, возможности быстрой зарядки.

Аккумуляторы могут иметь форму цилиндра или таблетки, как показано на фотографии для распространенных никель-кадмиевых устройств, которые собираются в блоки специальными перемычками.

Никель кадмиевые аккумуляторы
Когда по условиям эксплуатации предпочтительнее получать питание от единого блока, то создают общий корпус. В него встраивают отдельные пальчиковые элементы, которыми за счет их параллельного и последовательного подключения, обеспечивают выходные характеристики по току и напряжению.

Такой принцип заложен в создание батареи аккумуляторов для ноутбука.

Батарея Li-ion аккумуляторов для ноутбука
Для малогабаритных мобильных устройств создаются аккумуляторы в форме небольшого параллепипеда с закругленными краями. На одной из торцевых сторон у него смонтированы латунные площадки, обеспечивающие создание электрического контакта для источника и потребителей тока.

Внешний вид аккумулятора мобильного телефона

Как работает аккумулятор

Принцип преобразования химической энергии в интересующую нас электрическую поясняет картинка.

Принцип образования электрической энергии из химических веществ
Между двумя рядом расположенными веществами с подобранными свойствами протекает окислительно-восстановительная химическая реакция. Она сопровождается выделением электронов и ионов, которые при движении, как известно, образуют электрический ток.

Чтобы движущиеся заряды создавали электрические потенциалы, а не просто выделяли тепло в окружающую среду при смешивании окислителя с восстановителем, необходимо создать для этого условия.

Этим целям служат:

  • анод (положительный заряд), осуществляющий окислительную реакцию;
  • катод, восстанавливающий вещество;
  • электролит, проводящий ток во время диссоциации рабочей среды на катионы и анионы.

Анод с катодом размещают в отдалённых сосудах, которые соединяются солевым мостиком. По нему движутся анионы и катионы, создавая внутреннюю цепь аккумулятора. Внешняя же цепочка образуется подключением потребителя ко входу, например, вольтметра или другой нагрузки.

На аноде и катоде постоянно происходит переход электронов и ионов в электролит и обратно. Во внутренней цепочке идет движение зарядов через солевой мостик, а во внешней протекает ток с анода к катоду.

Этот принцип является базовым для заряда и разряда всех моделей химических источников тока.

Как работает никель кадмиевый аккумулятор

Существует всего два вида работы:

  1. разряд;
  2. заряд.

Можно выделить еще режим хранения, но правильнее его отнести к разряду, который стараются максимально ограничить, хотя полностью избежать его не получается.

Цикл разряда

Накопленная на электродах энергия при подключении к ним нагрузки создает электрический ток во внешней цепи.

Принцип работы никель кадмиевого аккумулятора
Анодом в никель-кадмиевом аккумуляторе работают окислы никеля с включениями частичек графита, снижающими общее электрическое сопротивление. В качестве катода используют губчатый кадмий.

Во время разряда происходит выделение молекул активного кислорода из состава окислов никеля, которые поступают в электролит и дальше на кадмий, окисляя его.

Цикл заряда

Его принято проводить при снятой нагрузке. Тогда можно использовать меньшую мощность зарядного устройства.

Полярность клемм у зарядного и аккумулятора должно совпадать, а внешняя мощность превосходить внутреннюю. Тогда под действием постороннего источника внутри аккумуляторной банки формируется ток с направлением, обратным разряду.

Он переориентирует ход химических процессов в емкости банки, обогащает анод кислородом и восстанавливает кадмий на катоде.

Как работает литий-ионный аккумулятор

Углеродный анод и катод из оксидов металла, содержащих литий, например, состава LiMn2O4, погружены в органический электролит.

Принцип заряда литий ионного аккумулятора
В нем движутся положительно заряженные ионы Li+. Сам литий при этом не переходит в металлическое состояние, а создается обмен его ионов между электродными пластинами. По этой причине аккумуляторы называют литий-ионными.

Цикл заряда

Ионы лития изымаются (процесс деинтеркаляции) из содержащего литий катода и внедряются в анод (интеркаляция).

Цикл разряда

Перемещение ионов идет в обратном заряду направлении, а электроны от анода движутся к катоду и образуют электрический ток.

Если сравнить принципы работы аккумулятора любой конструкции, то можно наблюдать общую закономерность перемещения ионов между электродами по внутренней цепи и электронов по внешней при создании схем заряда и разряда.

Эксплуатационные характеристики аккумулятора

Рабочее напряжение

Его величину определяют на разомкнутых клеммах вольтметром при оптимальном заряде. В процессе работы оно постепенно снижается.

Емкость АКБ

Характеристика, показывающая количество тока в миллиамперах или амперах, которое способен выдать аккумулятор за промежуток времени, выраженный в часах.

Мощность

Параметр, учитывающий способность АКБ совершить работу в единицу времени.

Как работает зарядное устройство аккумуляторов мобильных устройств

Сейчас все дорогие электронные устройства снабжаются собственными приборами питания и зарядки.

Зарядные устройства
Для восстановления рабочих характеристик аккумуляторов, используемых индивидуально, выпускаются отдельные зарядные устройства. К ним прилагаются инструкции и таблицы с указанием рекомендованной продолжительности технологического цикла.

Зарядное устройство аккумуляторов АА, ААА
Такие модели обычно выдают стабилизированное напряжение на клеммы аккумулятора, у которого при зарядке постепенно меняется электрическое сопротивление, влияющее на величину протекающего тока. Поэтому подобные рекомендации носят усредненный характер.

Формы токов, создаваемые зарядными устройствами

Для зарядки аккумуляторов могут использоваться не только постоянные токи, но и многих других видов, которые решают специфические задачи.

Временные графики работы зарядных устройств
Чтобы обеспечить их протекание создают различные электронные схемы, которые выдают на клеммы аккумулятора напряжение соответствующего вида.

Принципиальные схемы зарядных устройств

Ввиду их разнообразия приведем для примера некоторые типовые решения.

Схема создания постоянных токов

За счет трансформатора понижается напряжение. Его гармоника выпрямляется диодным мостом и пульсации сглаживаются конденсатором высокой емкости.

Схема с трансформаторным разделением, диодным мостом и сглаживающим конденсатором
На выход в аккумулятор поступают токи постоянной величины.

Схема создания пульсирующих токов

Схема с трансформаторным разделением и диодным мостом без конденсатора
Удалив из предыдущей цепочки конденсатор получаем пульсации напряжения на клеммах аккумулятора, которые формируют токи аналогичной формы.

Схема создания пульсирующих токов с промежутком

Схема с трансформаторным разделением и одним диодом
Заменив диодный мост единичным диодом получаем пульсации токов повышенной частоты в два раза.

Сервисные зарядные устройства

За счет усложнения внутренней электрической схемы создаются различные дополнительные функции для зарядных устройств.
Сервисное устройство «Электрон-6»

Рекомендации производителей по зарядке аккумуляторов

Во всех расчетах величины зарядного тока Iз в амперах за базовое значение принимается эмпирическое соотношение, отсчитываемое в процентах от значения емкости С, выраженной ампер-часами.

Однако для определенных моделей производитель может указать ток зарядки сразу в числовом выражении амперами, которое не соответствует этому правилу. Понятно, что у него есть для этого серьёзные основания.

Свинцово кислотные АКБ

Принято для зарядки использовать токи, составляющие 10% или 0,1 от емкости С. Их записывают 1С.

Для этих аккумуляторов напряжение на единичной банки не должно превышать 2,3 V, что следует учитывать при зарядке батареи, чтобы не превышать критическую величину.

Набор емкости кислотных аккумуляторов после достижения 90% номинальной величины идет по экспоненте. Поэтому дальнейшую зарядку выполняют уменьшенными токами с контролем напряжения на банках, что увеличивает продолжительность процесса.

Свинцово кислотные АКБ нуждаются в периодическом проведении контрольного тренировочного цикла с полным разрядом и зарядом.

Щелочные АКБ

Для них принято ток заряда поддерживать на уровне 25% от емкости или 0,25С.

Никель-кадмиевые модели аккумуляторов

Оптимальная температура для зарядки, как и для работы, в пределах +10÷30ОС. При ней лучше происходит поглощение кислорода на катоде.

Аккумуляторы цилиндрической формы смонтированы плотной намоткой электродов в рулон. Это позволяет эффективно заряжать их токами в широких пределах 0,1÷1С. Стандартный режим предусматривает токи 0,1С и время 16 часов. На каждом элементе напряжение поднимается с одного до 1,35 V.

Если в зарядное устройство вмонтирована система контроля перезаряда, то применяют повышенные токи постоянной формы величиной 0,2÷0,3С. Это позволяет снижать время зарядки до 6 или 3-х часов. Даже допустим перезаряд в пределах 120÷140%.

Характерный недостаток никель-кадмиевых АКБ — эффект «памяти» или обратимая утеря емкости, которая проявляется при нарушениях технологии заряда, а точнее после начала подзарядки аккумулятора с не полностью израсходованной емкостью.

Аккумулятор «запоминает» границу оставшегося резерва и при последующем разряде на нагрузку сокращает свой ресурс при ее достижении. Эту особенность учитывают при эксплуатации, а для хранения Ni-Cd АКБ их переводят в режим полного разряда.

Никель-металл-гидридные модели аккумуляторов

Они создавались для замены никель-кадмиевых АКБ, лишены эффекта памяти, обладают повышенной емкостью. Но, при подготовке к работе после месячного или более срока хранения, требуется проведения цикла полного разряда с последующей зарядкой. Выполнив 3÷5 таких циклов можно увеличить рабочую емкость.

Для хранения этих аккумуляторов осуществляют перевод их емкости в 40% от номинальной величины.

Зарядка производится по технологии 0,1С для никель-кадмиевых АКБ, но с контролем температуры. Ее превышение более 50ОС недопустимо. Сильный нагрев возникает в конце цикла, когда протекание химических реакций замедляется.

По этим причинам для никель-металл-гидридных аккумуляторов создаются специализированные устройства зарядки с встроенными датчиками температуры.

Никель-цинковые модели аккумуляторов

Напряжение одной банки равно 1,6 V. Сила зарядного тока 0,25С. Время заряда 12 часов. Эффект памяти отсутствует. Рекомендуемый предел достижения емкости при заряде — 90% от номинальной.

Нельзя нагревать более 40ОС. Ограниченный ресурс — в три раза короче, чем у никель-кадмиевых АКБ.

Литий-ионные модели аккумуляторов

Оптимальная зарядка выполняется постоянным током в два этапа с величиной:

  1. 0,2÷1С с напряжением 4÷4,2 V в первые 40 минут;
  2. поддержанием постоянного напряжения на банке 4,2 V до окончания цикла.

Допустима зарядка током 1С за время 2÷3 часа.

Ресурс литий-ионных аккумуляторов снижают:

  • зарядное напряжение, большее 4,2 V;
  • перезаряд, сопровождающий скопление лития на катоде и выделение кислорода на аноде.

В результате происходит бурный выброс тепловой энергии, повышение давления в корпусе, разгерметизация.

В целях повышения безопасности при эксплуатации производители этих АКБ применяют одно или несколько мер защиты при заряде:

  • схему отключения зарядного тока при достижении температуры в корпусе 90ОС;
  • датчик превышения давления;
  • систему контроля напряжения при заряде.

Поскольку литий-ионный аккумулятор работает и заряжается внутри дорогих электронных устройств, то к его зарядке следует относиться аккуратно, применять только специализированные зарядные устройства.

Особенности зарядки по глубине разряда

Влияние глубины разряда емкости Li-ion аккумуляторов на ресурс работы
Степень разряда аккумулятора от заводской емкостиОриентировочное число циклов работы
0,1С4700
0,25С2500
0,5С1500
500

Особенности зарядки по температуре

Влияние температуры на потерю емкости Li-ion аккумуляторов
Температура аккумулятора в градусах ЦельсияПотеря емкости в год при среднем уровне заряда 40÷80% (рекомендуемые случаи)Потеря емкости в год при среднем уровне заряда 100% (типовые случаи)
6025%40% (за квартал)
4016%35%
255%20%
02%6%

Правильный выбор этих параметров позволяет значительно продлить ресурс эксплуатации литий-ионных АКБ.

Литий-полимерные модели аккумуляторов

К ним подходят все правила эксплуатации, разработанные для литий-ионных моделей. Но, поскольку в них отсутствует жидкий электролит, а используется гелеобразный, то при перезарядке либо перегреве исключается взрыв корпуса, который может только раздуться.

Понимание принципов того, как работает аккумулятор и зарядка для мобильных устройств поможет продлить ресурс ваших гаджетов, эксплуатировать их надежно и безопасно.

Для закрепления материала предлагаем посмотреть видеоролик владельца Admiral134 «Как правильно использовать литий-ионные аккумуляторы».

Вам сейчас удобно задать вопрос в комментариях и переслать этот материал друзьям в соц сети.

  1. 5
  2. 4
  3. 3
  4. 2
  5. 1
(5 голосов, в среднем: 5 из 5)

Ответить

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *