Умная батарейка

Изучаем перезаряжаемый элемент питания на титанате лития
07.09.2018
Иван Рогожкин

На московском Фотофоруме, который, как обычно, проходил в апреле в Выставочном центре «Крокус экспо», наше внимание привлёк стенд компании Hunan Huahui New Energy - китайского поставщика аккумуляторных батарей на основе феррофосфата и титаната лития. Батареи последнего вида для российского потребителя пока в диковинку, хотя многие специалисты знают, что они имеют высокую надёжность и способны работать при более низких температурах, чем классические ионно-литиевые.

Вообще говоря, литий-титанатные аккумуляторы - это вариант ионно-литиевых элементов, в которых в качестве анода используется соль Li4Ti5O12. Аноду придают нанокристаллическую структуру для увеличения удельной площади поверхности, которая достигает 100 м2/г, что позволяет обеспечить высокие значения плотности тока и скорости перезарядки. Согласно Википедии, по состоянию на 2017 г. литий-титанатные батареи были способны обеспечить плотность энергии до 177 Вт/л.

Представители компании Hunan сообщили нам, что литий-титанатные элементы выдерживают токи заряда и разряда, превышающие их ёмкость в 1-40 раз. Конечно же, любые аккумуляторы лучше использовать в наиболее щадящем режиме. Недаром Hunan гарантирует более 4000 рабочих циклов при заряде и разряде элемента током, численно равным его ёмкости, и более 7000 циклов, если сократить токи вдвое.

Зная о том, что литий-титанатные аккумуляторы работают при номинальном напряжении 2,4 В, мы были удивлены, когда помимо разнообразных промышленных изделий увидели на стенде компании 1,5-вольтовые элементы AA под маркой Talent Energy Technology («Талантливые энергетические технологии»). Эти элементы с номинальной ёмкостью 1000 мА·ч предлагаются для использования в фотовспышках, фонарях и других бытовых устройствах. Более того, у «талантливых» элементов обнаружились пластмассовые колпачки, под которыми скрываются стандартные разъёмы USB для зарядки от компьютера или сетевого адаптера. Естественно, мы не могли пройти мимо такой диковинки и приобрели комплект из четырёх штук (см. фото 1) для подробного изучения. Рассказываем о том, что мы выяснили.

Фото 1. Умные литий-титанатные аккумуляторы АА: под колпачком
USB-разъём

Как мы определили с помощью цифрового мультиметра, без нагрузки на контактах свежезаряженного элемента присутствует напряжение порядка 2,5 В. Однако если подсоединить любую нагрузку, даже небольшую, выходное напряжение тут же падает до 1,5 В. Обнаружив это, мы сначала предположили, что производитель включил последовательно с электрохимической ячейкой диод или низковольтный стабилитрон, чтобы простейшим способом погасить лишнее напряжение, и удивились столь неразумному решению. Дело в том, что падение напряжения в один вольт из двух с половиной означает потерю 40% энергии. Это просто расточительно.

Разгадать загадку умной литий-титанатной батарейки нам помог старый радиолюбительский осциллограф ОМЛ-3М. Он показал, что под нагрузкой на выходе элемента, помимо постоянного напряжения, присутствует «пила» с размахом колебаний около 55 мВ (см. фото 2). Это значит, что китайский производитель встроил внутрь элемента импульсный стабилизатор напряжения, который включается, как только обнаруживается потребление энергии. Что же, это весьма разумное решение позволило не только минимизировать потери полезной мощности, но и полнее использовать доступную ёмкость литий-титанатного электрохимического элемента. Наши эксперименты показали, что стабилизатор запускается при токе около 30 мкА.

Фото 2. Так работает встроенный импульсный стабилизатор напряжения

Выяснилось, что частота «пилы» сильно зависит от нагрузки. Так, при токе 1,5 мА (мы подключали резистор 1 кОм) частота была равна 14,7 кГц, а при токе 10 мА (150 Ом) - уже 100 кГц. Эта особенность умных батареек, к сожалению, ограничивает сферу их применения. В радиоприёмниках, рациях и старых кассетных плеерах возможны наводки на звуковой тракт. Думается, что небольшие пульсации не помешают использовать новинку в фонариках, переносных светильниках, старых цифровых фотокамерах (в новых применяются литий-полимерные аккумуляторы) и всевозможных детских игрушках.

Для измерения реальной ёмкости USB-батареек мы собрали несложный стенд. Вставили три исследуемых элемента в батарейный отсек от поломанной детской игрушки и вывели полученное напряжение 4,5 В через разъём на USB-мультиметр (о том, что это такое, см. «Энерговектор», № 8/2017, с. 11.). К последнему мы подключили нагрузку в виде семидюймового Android-планшета (см. фото 3). Измерили ёмкость батарей. Увы, полученный результат, 223 мА·ч, далеко не дотягивает до заявленной тысячи миллиампер-часов. Три элемента в сумме выдали энергию чуть более 1 Вт·ч. Конечно, методика измерений в нашем случае неидеальна, поскольку мы проигнорировали собственное энергопотребление USB-тестера, но вряд ли оно сопоставимо с потреблением заряжающегося планшета.

Фото 3. Измеряем ёмкость умных аккумуляторов с помощью
USB-мультиметра

Хуже того, выяснилось, что в конце разрядного цикла умные USB-батарейки ведут себя «глупо»: периодически включаются и примерно через полсекунды выключаются, в результате чего на нагрузку поступает «рваное» напряжение. Лампа фонарика на умных батарейках начинает мигать. Понятно, что не всякий электронный прибор выдержит такое питание. Инженерам компании Talent следовало бы вывести порог отключения выходного стабилизатора на более низкий уровень, чем порог включения, исключив старт-стопный режим с помощью эффекта гистерезиса.

Ещё мы измерили количество энергии, которое потребовалось для полной зарядки всех трёх разряженных планшетом умных батареек (см. фото 4). Получили значения 1,16, 1,18 и 1,15 Вт·ч, лишний раз убедившись, что производитель в принципе не может обеспечить заявленную ёмкость 1000 мА·ч, эквивалентную накапливаемой энергии 1,5 Вт·ч. Следует отметить, что «талантливые» батареи полностью заряжаются чуть менее часа, то есть достаточно быстро, потребляя от пятивольтового источника ток 0,25 А.

Фото 4. При заряде элемент потребляет от USB-источника около
четверти ампера

Далее мы попытались оценить способность умных литий-титанатных батареек работать со «сложными» нагрузками. С этой целью, в частности, подключали к ним миниатюрные электродвигатели от игрушек и более крупный двигатель от шуруповёрта. Результаты получились очень достойные: при изменении тока нагрузки в десять раз, например, с 20 до 200 мА, выходное напряжение менялось лишь на 10 мВ. Титанат лития хорошо справлялся с полуамперными пиковыми нагрузками.

* * *

Конечно же, китайские инженеры решали непростую техническую задачу. Разъём USB отнял у батареи 12 мм, то есть четвёрть её длины, ещё какое-то место заняли внутри плата с электронными компонентами и кольцо красивой светодиодной подсветки. В результате на саму электрохимическую ячейку осталось не более двух третей объёма, который используется в обычных щелочных элементах АА. Тем не менее эти технические трудности не дают компании права обманывать потребителей.

Рекомендуем умные USB-батарейки производства Talent Energy Technology читателям «Энерговектора» для питания несложных бытовых устройств - фонариков, пультов ДУ, детских игрушек.

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы