Bateryjki i nieistniejący efekt pamięci

Przedwstępnie

Wpis nie ma za zadanie tłumaczenia fizykom jak działają ogniwa akumulatorów. Oni już w większości mają odpowiednią wiedzę, jest to tekst raczej dla zwykłego zjadacza chleba, dla którego świadomość, że pierwiastka nie da się wyciągnąć z liczby ujemnej, jest wystarczająca do normalnego funkcjonowania (a dać - się da). Zawiera dużo uproszczeń, uogólnień i innych podobnych rzeczy, nie jest w 100% dokładny, i nie porusza wszystkiego co mógłby poruszać. To tylko takie nakreślenie tematu ładowalnych baterii wraz z, mam nadzieję, w miarę prostym i niezbyt głębokim wytłumaczeniem paru efektów, które w ogniwach zachodzą, a są mylnie brane za coś innego. Ah i jeśli bardzo się upierasz, że nie wiem o czym piszę, skocz na wiki. Nie na polską, tam nawet tłumaczyć czasem haseł nie umieją, tylko angielską. I nie czytaj tego co tam jest napisane, skocz jednak do przypisów, dużo ciekawych tekstów. A poza tym Docent mnie ignoruje i wciąż nie dostaję powiadomień o nowych artykułach z dp na XMPP.

Słowem wstępu

Pewnie każdy z Was spotkał się kiedyś z tak zwanym „efektem pamięci” w różnej maści akumulatorach i wielu z Was zna kilka sposobów aby temu zjawisku przeciwdziałać. Jeśli tak, to mam dla Was radosną nowinę - wierzycie w voodoo.

Ale, ale, ale… JA SIĘ Z TYM SPOTKAŁEM!!!1!!oneone

Wcale nie. Nie wiem czy jesteś tego świadom, ale prawdziwy „efekt pamięci” nie dość, że występuje tylko w jednym typie ogniw, niklowo-kadmowych (NiCd), to jeszcze jak na złość, dokładnie w jednym ich podtypie, ze spiekanymi płytkami (jakkolwiek tłumaczyć sintered-plate). Dalej robi się jeszcze ciekawiej. Otóż, aby zaobserwować „efekt pamięci” w tych ogniwach, trzeba je bardzo dokładnie rozładowywać, z dokładnością do ~1%. Do tego dużym prądem i uwaga… trzeba to zrobić dobrych paręset razy. Jakby tego było mało, absolutnie nie wolno podczas ładowania przeładować ogniwa, gdyż przeładowanie go spowoduje… „wyleczenie”. A że tego typu akumulatorków nie używa się w elektronice konsumenckiej, i można je spotkać praktycznie tylko w dziwnych miejscach jak satelity i laboratoria… Rozumiesz dlaczego nigdy się z tym efektem nie spotkałeś? Coś jednak widziałeś, tylko po prostu nie wiesz co, ale o tym za chwilę.

Akumulatory, rodzaje ich i inne podstawy

Mamy kilka rodzajów ogniw, z którymi możemy się spotkać w domowym sprzęcie. Najstarsze - niklowo-kadmowe (NiCd), trochę nowsze - niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMH), oraz kilka odmian ogniw z przedrostkiem Li (Li‑ion, Li‑poly). Mamy jeszcze egzotyczne ogniwa paliwowe działające na wodę/alkohol, niklowo-wodorowe, niklowo-litowe i tak dalej. Zajmiemy się pierwszymi trzema, bo występują najczęściej.

Na początek jednak trochę prądowej teorii. Pojemność ogniw podaje się w różnych wariacjach jednostki zwanej ampero-godziną (Ah). Najczęściej w mili-ampero-godzinach (mAh). Tylko co to jest? Widzisz, jeżeli ogniwo ma pojemność 1Ah, to można z niego ciągnąć prąd o natężeniu jednego ampera (1A) przez godzinę, potem ogniwo jest puste. Zapamiętajcie sobie jeszcze wzór na moc, P=U*I; moc = napięcie * natężenie, przyda się nam za chwilę do zobrazowania co te liczby oznaczają w praktyce. Aby z Ah zrobić Wh (Wato-godzina), trzeba pomnożyć pojemność ogniwa przez jego napięcie nominalne. Gdyby kogoś interesowało jak policzyć moc CPU, to używamy P = CV^2f. (Pojemność razy napięcie zasilania do kwadratu przemnożone przez częstotliwość);

Do porównania możliwości różnych technologii zastosujemy sobie wirtualny telefon, którego podzespoły pobierają 3W, do tego baterię o pojemności litra. Jeszcze może Wam powiem o co chodzi z gęstością energii. Zapis 50Wh/kg oznacza, że mniej więcej w kilogramie „czystego ogniwa” można upchnąć 50Wh energii, co przekłada się na… (J=P/U) 41000mAh w ogniwie o napięciu 1,2V ważącym 1kg. Jak doskonale wiemy, kg jest jednostką masy a litr objętości, pokrywają się tylko w wypadku wody i to jeszcze o zadanej temperaturze i ciśnieniu, więc je lepiej rozróżniajmy. Tak na wszelki wypadek o tym wspominam, bo to prawie coś jak mylenie masy z ciężarem.

NiCd – mają gęstość upakowania energii w okolicy 40‑60Wh/kg (50‑150Wh/l). Pomijając samorozładowanie, nasz wirtualny sprzęt działałby podłączony do 1l ogniwa tego rodzaju przez około 33h. Inne cechy tego typu ogniw – dają się ładować i rozładowywać bardzo dużymi prądami. Przez „dają się” rozumiemy „nie istnieje szczególnie wielkie ryzyko, że wybuchnie lub się zapali jeśli warunki eksploatacji są typowe”. Napięcie nominalne ma na poziomie 1,2V, efektywność ładowania sięga 90%, znaczy że jeśli wpakujesz w ogniwo jakąś energię, to jej 90% zostaje w nim, a reszta idzie najczęściej na ciepło”. Można je bardzo głęboko rozładować i nawet nieźle to znoszą, a ich trwałość to około 2000 pełnych cykli. Czasem spotyka się u nich efekt pamięci. Ach, i jeszcze w ciągu miesiąca tracą same z siebie około 10% zgromadzonego w nich ładunku, co oznacza, iż po około 11 miesiącach, leżąc na półce i robiąc nic, będą całkowicie puste.

NiMH – gęstość energii na poziomie 30‑100Wh/kg (140-300Wh/l). Na tego typu (1l) ogniwie nasz telefon działałby przez około 73h. Przyjmując czas działania na NiCd za 100%, NiMH są 121% wydajniejsze przy zachowaniu tej samej objętości. Ale, żeby nie było za fajnie, mamy też trochę dziegciu. Nie można ich ani ładować ani rozładowywać tak wysokimi prądami jak NiCd. Trwałość to  około 500‑1000 cykli. Napięcie nominalne, jak w wypadku NiCd – 1,2V. Efektywność około ładowania 66%. Ich stopień samorozładowania sięga 30% na miesiąc, co przekłada się na „po 4 miesiącach ogniwo jest puste”. I tu właśnie widać, dlaczego typowe baterie znacznie lepiej nadają się do wszelkiej maści pilotów i innego tego typu sprzętu. Zwykłych ogniw NiCd/MH nie opłaca się stosować w nich, bo prędzej się same rozładują niż pilot skorzysta ze zgromadzonego w nich ładunku. Dopiero wersja LSD tę sytuację zmieniła dość diametralnie.

NiMH LSD – poza tym, że mają fajną nazwę, są bardzo podobne do zwykłych NiMH, spotykane praktycznie tylko jako ogniwa typu „paluszki” (AA) czy tez „paluchy” (D). Do tej rodziny należą przykładowo Sanyo Eneloop i GP ReCyko. Dla użytkownika jedyną różnicą jest to LSD, Low Self-Discharge. Oznacza to, iż w pełni naładowane, zostawione same sobie nie tracą tak szybko ładunku jak zwykłe NiMH. W ich wypadku, po około roku, zgubią 15% energii. Czyli około 1,25% na miesiąc.

Li‑ion – gęstość energii na poziomie 120‑250Wh/kg (250-620Wh/l). Na tego typu (1l) ogniwie, wirtualny 3W telefon pracowałby 145h. Przekłada się to na „339% lepiej niż w wypadku NiCd” oraz „98% lepiej niż NiMH”. Napięcie nominalne około 3.7V, efektywność ładowania na poziomie 90%. Poziom samorozładowania bardzo zależny od temperatury, wahający się od 8% na miesiąc przy 21 stopniach, do około 40% przy 40 stopniach. Trwałość, około 400‑1200 cykli. I BARDZO nie tolerują głębokiego rozładowania. A teraz najciekawsze, są to dość niebezpieczne ogniwa. Mogą się zapalić lub nawet eksplodować od wielu fajnych rzeczy, na przykład: ładowanie za dużym prądem, rozładowanie za dużym prądem (a więc w konsekwencji przegrzanie), także przegrzanie od przykładowego zostawienia urządzenia na słońcu, nie wolno ich także zgniatać, mrozić, etc. No ale, ale, skoro są tak niebezpieczne to czemu się ich używa? Nie wiem czy usiłowaliście kiedyś rozebrać ogniwo Li‑cokolwiek. Gdybyście usiłowali, to w 90% znajdziecie w środku troszkę elektroniki, ona ma za zadanie kontrolować stan pracy ogniw, temperaturę, prądy ładowania/rozładowania i w momencie wykrycia anomalii – ma odłączyć ogniwa, trwale bądź chwilowo, kwestia tego jaką wykryje anomalię. Pamiętacie może wielkie akcje z wymiana baterii notebooków HP, Sony, a nawet Apple? No to najprawdopodobniej wadliwe układy kontroli właśnie. Nie wspominając już o kliku samozapłonach laptopów, czy też wybuchających iPodach. Mówiłem, że Li‑ion nie lubią mrożenia? Tracą od niego pojemność nieodwracalnie, iii mają ten paskudny nawyk tracenia pojemności nawet jeśli nie są używane, po prostu z upływem czasu, nawet leżąc na półce będą marniały.

No to co z tym efektem pamięci

Nic, znaczy nie istnieje, a przynajmniej nie w typowych warunkach. O co w takim razie chodzi? O kombinację kilku efektów, które się na siebie nakładają, głównie:

• Efektu spadku napięcia pod obciążeniem z powodu długoterminowego przeładowania • Głębokiego rozładowania • Ładowania ogniw z odwróconą polaryzacją • Chwilowego spadku pojemności z powodu niepełnego rozładowania • Starzenia się ogniw

Ostatnie wymaga najmniej tłumaczenia - każdy typ ogniwa ma, jak wspomniałem, ograniczoną liczbę cykli ładowania/rozładowania, po wykonaniu których nie bardzo nadaje się do użycia. Teraz drobna uwaga. Zakładając, iż ogniwo wytrzymuje 1000 pełnych cykli, wytrzyma 2000 cykli rozładowujących ogniwo do połowy, dlatego też jeśli nie musicie z jakiegoś powodu rozładować ogniwa do końca w ładowarce, nie opłaca się tego robić. Lepiej poczekać aż „padnie” w urządzeniu w którym jest normalnie używane. Dodatkowo w wypadku Li‑ion dochodzi efekt starzenia się. W ich wypadku ogniwa tracą trwale pojemność nie głównie od „używania” jak w NiMH/NiCd, ale także od samego faktu ich istnienia. Poza tym stopień tego jak szybko się Li‑ion psują zależy także od temperatury w jakiej się znajdują, oraz zgromadzonego w nich ładunku. Standardowo takie ogniwa tracą około 20% pojemności w ciągu roku z powodu samego upływu czasu. Acz czas „śmierci naturalnej” ogniw w wersji LiFePO4 nie jest zależny od zgromadzonego ładunku.

Teraz możecie zacząć marudzić, że stwierdziłem, że efektu pamięci nie ma, a teraz piszę o spadku pojemności z powodu niepełnego rozładowania. „Efekt pamięci” to trwała utrata pojemności, nie chwilowa. A poza tym, ten „chwilowy efekt” jest uleczalny w prosty sposób. W zależności od ogniwa trzeba je troszkę przeładować lub wykonać po prostu jeden lub dwa pełne cykle, nie ufając elektronice urządzenia, raczej polegając na ładowarce, jeśli oferuje taką funkcję. I to nie ma nic wspólnego z tak zwanym formowaniem ogniw, które notabene też jest bzdurą, ale to za chwilę.

Punkt numer trzy jest dość ciekawy. Widzicie, poza ogniwami rozmiaru AA (R6), C(R14), D(R20), AAA, praktycznie nie spotyka się „ogniw luzem”. Urządzenia wymagające napięcia zasilania wyższego niż 1,5V, 3,7V wymagają zbicia ogniw w baterię, celem podniesienia napięcia do wymaganego poziomu. Tak jest prawdopodobnie we wszystkich laptopach, większości aparatów cyfrowych, rzadko w komórkach. Ogniwa nigdy nie są idealne i często nie mają elektroniki, która kontrolowałaby stan pojedynczego ogniwa, a raczej baterii jako całości. To przekłada się na niefajny efekt. Kiedy bateria jest już słaba, niektóre ogniwa w niej są „silniejsze” od innych. Te „silniejsze” ogniwa mają czasem paskudny nawyk ładowania tych słabszych, tyle, że z odwrotną polaryzacją. Wszystkie ogniwa reagują na takie coś bardzo alergicznie TRWAŁYM spadkiem pojemności oraz czasem rozgrzewaniem się ogniw.

W wypadku punktu numer dwa, wszystko zależy od tego jakich ogniw używamy. Jeśli są to NiCd, pół biedy, dość dobrze znoszą ten efekt. W wypadku NiMH, jeśli napięcie ogniwa pod obciążeniem spadnie poniżej około 0,9V, ogniwo zacznie (czasem gwałtownie) nieodwracalnie tracić na pojemności. W wypadku ogniw Li‑coś nie wolno zejść poniżej 3V, efekt jak w NiMH.

Punkt numer jeden, znów w sumie ciekawa sprawa, bo nie oznacza spadku pojemności. Ten efekt tylko taki spadek udaje (konkretniej spłaszcza się krzywa rozładowania). Spotkaliście się kiedyś z sytuacją, kiedy wkładacie świeże ogniwa do jakiegoś urządzenia, a to po paru minutach zaczyna pokazywać „battery low”, jednak działa z takim wskazaniem podejrzanie długo? To właśnie o to chodzi. Jak już zauważyliśmy, każdy rodzaj ogniwa ma swoje nominalne napięcie, weźmy dla przykładu 1,5V. Układy monitorujące poziom naładowania najczęściej monitorują właśnie napięcie ogniw i z tego wyciągają wniosek o tym jak bardzo są „full”. Kiedy nasze przykładowe ogniwo zostanie podłączone do urządzenia, napięcie na nim spadnie względnie gwałtownie do, powiedzmy, 1,0V, a stosunkowo głupie układy monitorujące odbiorą to jako „stan bliski rozładowania” (a bardzo głupie nawet wyłączą urządzenie aby chronić ogniwa przed bardzo głębokim rozładowaniem), podczas gdy tak naprawdę to napięcie utrzyma się jeszcze długo na jednym poziomie, pozwalając na normalną pracę.

Jest jeszcze kilka innych efektów, ale je w zasadzie możemy pominąć, można o tym dużo pisać. W każdym razie prawdziwy „efekt pamięci” jest w typowych zastosowaniach nieobserwowalny. Jeśli Twoje ogniwa tracą pojemność, to albo są stare, albo robisz im krzywdę. A krzywdę ciężko im robić nie rozładowując ich do końca. A co do tego formowania…

Formowanie ogniw…

… to aktualnie bzdura. To bzdura mniej więcej od czasu ogniw NiMH, acz i za NiCd ta teoria nie miała wielkiego sensu, wszystko rozbija się w zasadzie o układy ładowania. Dla tych, którzy nie wiedzą: jeszcze nie tak całkiem dawno, szczególnie agenci sieci komórkowych, lubili ludziom wciskać kit, że nowy telefon, a właściwie baterię w nim trzeba ładować przynajmniej 12h (Albo i 24h) bez przerwy i potem rozładować aż telefon „padnie”, i znów ładować 12h. Nic, że nasz telefon był naładowany po 3h. Bzdura, ponieważ jeśli układ ładowania jest względnie inteligentny, to kiedy wykryje, iż ogniwo jest pełne – przestanie je ładować. Może przejść na tak zwane „ładowanie podtrzymujące”, bardzo małym prądem, tego się nie stosuje, gdyż gryzie niektóre ogniwa. A już w wypadku Li‑ion w szczególności, one by mogły od przeładowania nawet doznać samozapłonu. Także, w większości wypadków, jedyny sens trzymania telefonu na ładowarce przez dodatkowe 9h sprowadza się do „korzystamy z zasilania sieciowego do działania, zamiast baterii”. W wypadku laptopów z ogniwami Li‑ion, układ ładowania po naładowaniu ogniwa odłączy je całkowicie od ładowarki, jeśli dalej mamy podłączone zasilanie sieciowe, komputer będzie korzystał z tegoż do działania i czekał sobie radośnie, aż poziom baterii samoistnie spadnie do około 90%. Wtedy znów ją podładuje do 100% i tak dalej, póki nie odłączymy zasilacza. Nie ma sensu trzymać ogniwa w ładowarce dłużej niż to potrzebne (!). A teraz… jest jednak pewien sens w wykonaniu na początku „życia” baterii/sprzętu kilku pełnych cykli ładowania/rozładowania. Często bywa tak, że nasze ogniwa są co prawda już uformowane, cacy i tak dalej w fabryce, ale ich układ kontroli i układ ładowania urządzenia jeszcze się ich nie „nauczył”. Toteż wykonanie tych cykli ma za zdanie pokazanie układom ładowania/kontroli gdzie są limity naszych ogniw, tyle. Jedyne co nam grozi jeśli tego nie zrobimy, to to, że wskaźniki poziomu naładowania w urządzeniu będą pokazywały bzdury. Acz! One z czasem i tak dojdą do tego co powinny pokazywać aby dane były prawidłowe. Można więc powiedzieć, że takie operacje to tylko dla własnego zdrowia psychicznego (PS. Niektóre ogniwa, zależnie od producenta, potrzebują paru cykli aby osiągnąć pełną pojemność, ale najwyżej osiągną ją później, jeśli cykle nie będą pełne).

Morał

A morał jest taki, że nie ma sensu jakieś szczególne pieszczenie się z bateriami. Jeśli chcesz możesz wyjąć baterię z laptopa i trzymać ją w lodówce (broń boże nie w zamrażarce!) w stanie naładowania około 60%, wtedy przetrwają najdłużej. Ale to tylko jeśli jej nie używasz i utrata zasilania „AC” nie zaszkodzi Twojej pracy. Dużo też zależy od jakości ogniwa i urządzenia, które go używa. Dla zupełnie subiektywnego przykładu, Siemens MT50, staroć (z 7 lat?), na oryginalnej baterii trzyma wciąż tydzień, rozmowy czy smsy nie są dla niego wyzwaniem, bateria NiMH. Dla kontrastu, Sony Ericsson k700i, bateria LiPoly. Po 2 latach użytkowania, wyzwaniem było dla niego wytrzymanie 1 dnia bez ładowania, wysłanie/odebranie paru smsów, a dzwonić się praktycznie nie dało, gdyż przy próbie automatycznie się wyłączał twierdząc, ze bateria padła. Pamiętaj też o tym, że ogniwa mają ograniczoną ilość cykli. Jeśli nie ma wyraźnej potrzeby, to nie ma sensu robić „odświeżania” za często. Zamiast połowy cyklu zmarnujesz na to, powiedzmy, trzy - na samo ładowanie. Większość efektów uznawanych za słynny pamięciowy efekt jest „uleczalna”, jest jednak jeden haczyk. Wszystkie sztuczki leczące szaman może odprawić tylko nad pojedynczymi ogniwami, nie całymi bateriami gdzie w środku jest więcej niż jedno ogniwo (!). Usiłując głęboko rozładować całą baterię, możesz doprowadzić (w wypadku Li‑ion) do całkowitego odłączenia ogniwa przez jego układ kontroli, a nawet jeśli elektronika Ci na to pozwoli – możesz przesadzić z poziomem rozładowania, i i tak mocno obniżyć jego pojemność. Także, używamy sobie baterii normalnie, nie przejmujemy się efektami pamięci, pamiętajmy tylko aby ogniw nie mrozić, Li‑ion nie przeładowywać (zresztą i tak się nie powinno dać). Jeśli ich nie używamy możemy dla ich dłuższego życia trzymać je w chłodnym, suchym miejscu, ale broń boże ich nie mrozimy. Prawda, że proste? ;)

Wspominałem, że linków nie ma, a jak Was coś interesuje to użyjcie google? Pewnie pierwszy wynik na dane hasło będzie poprawny. ;)