Akumulatory NiCd

Sukces wielu urządzeń bezprzewodowych jest związany z szerokim zastosowaniem akumulatorów niklowo-kadmowych i dynamicznym rozwojem ich konstrukcji. Akumulatory te charakteryzują się dużą gęstością zgromadzonej energii (ilość energii w stosunku do objętości), możliwością poboru prądu o dużym natężeniu, długim czasem eksploatacji oraz dużą ilością cykli ładowania i rozładowania. Zwykle używane są akumulatory NiCd o pojemnościach od kilku mAh do około 10 Ah. W celu uzyskania jak najlepszych parametrów dla danego zastosowania, produkowane są różne typy akumulatorów zasadowych. Niektóre charakteryzuje duża pojemność, inne możliwość szybkiego ładowania, a jeszcze inne powinny pracować przy wysokich temperaturach otoczenia. Ogniwo zbudowane jest z elektrody ujemnej (kadm) i dodatniej (nikiel). Elektrolitem jest wodny roztwór wodorotlenku potasu. Aby elektrody nie ulegały zwarciu, są przedzielone porowatym separatorem, wykonanym najczęściej z tworzywa sztucznego. Ogniwa cylindryczne - w celu uzyskania możliwie dużej powierzchni elektrod (wysoka pojemność), nawijane są spiralnie z możliwie najcieńszym separatorem (niska wewnętrzna rezystancja, a więc duże natężenie prądu rozładowania). Procesy elektrochemiczne przebiegają w taki sposób, by powstające przy ładowaniu gazy (tlen powstający przy elektrolizie wody) były pochłaniane. Wszystkie ogniwa są wyposażone w zawór bezpieczeństwa, który zapobiega tworzeniu nadciśnienia przy silnym przeładowaniu.

Ładowanie

Akumulatory niklowo-kadmowe ładowane są stałym prądem. Elektrody z niklu i kadmu, oraz elektrolit z wodorotlenku potasu umożliwiają wytworzenie napięcie ogniwa U=1,2V. Sprawność procesu ładowania wynosi około 60%, czyli w czasie ładowania należy doprowadzić więcej energii niż otrzymuje się przy wyładowaniu. Przyjmuje się, że energia doprowadzana wynosi 140% energii odzyskiwanej. Oznacza to, że współczynnik ładowania jest równy 1,4. Normalne natężenie prądu ładowania akumulatora NiCd wynosi I=0,1C (C - pojemność akumulatora) w czasie (14-16) h. Parametry ładowania można określić z zależności:

I=Q x 1,4/t

Bateria NiCd ulega zniszczeniu przy nieprawidłowym (odwrotnym) dołączeniu do zasilacza.

Ładowanie szybkie

Akumulatory niklowo-kadmowe mają bardzo korzystną właściwość, polegającą na możliwości przyjęcia dużego ładunku w krótkim czasie. Im krótszy jest czas ładowania, tym dokładniejsza musi być kontrola tego procesu. Napięcie ogniwa NiCd w czasie ładowania sukcesywnie wzrasta, aby w końcowym etapie nieznacznie zmaleć gdy ogniwo jest w pełni naładowane. W tym czasie temperatura ogniwa silnie wzrasta. Nowoczesne ładowarki, przeznaczone do szybkiego ładowania wykorzystują metodę ΔU=f(t) (minus delta V), co oznacza, że wykrywają one zmniejszenie wartości napięcia i przerywają proces ładowania. Należy unikać nadmiernego wzrostu temperatury ogniw, gdyż znacznie skraca to czas ich eksploatacji. Z tego powodu zalecane jest używanie wyłączników bimetalowych lub termistorowych. Po szybkim ładowaniu temperatura ogniwa wynosi około t=45°C. Wyłącznik bimetalowy powinien być włączony szeregowo w obwód ładowania i umieszczony na obudowie ładowanego ogniwa. Gdy temperatura przekroczy wartość t=45°C, ładowanie zostaje przerwane. Szybkie ładowanie prądem o natężeniu I<1 C można również prowadzić przy użyciu wyłącznika czasowego, zgodnie z wcześniej podaną zależnością, lecz również wtedy należy stosować układy kontrolujące temperaturę akumulatora w celu uniknięcia jego przegrzania.

Ładowanie podtrzymujące

Jest to metoda najczęściej stosowana dla ogniw wysoko-temperaturowych i ogniw pastylkowych. Oznacza to, że akumulator jest stale ładowany tak, aby mógł być w każdej chwili wykorzystany, np. zasilanie słuchawki telefonu bezprzewodowego. Akumulatory cylindryczne NiCd powinny być ładowane prądem o natężeniu I=(0,03-0,05) C, a akumulatory pastylkowe prądem o natężeniu I=0,01 C. Przykładowo: natężenie prądu ładowania podtrzymującego akumulatora cylindrycznego o pojemności 800 mAh powinno wynosić Imax=40 mA

Rozładowanie

Akumulatory NiCd (w przeciwieństwie do akumulatorów NiMH) umożliwiają zasilanie urządzeń o dużym poborze prądu. Można je obciążać przez bardzo krótkie okresy prądem, którego natężenie dochodzi do I=100 C. Przy rozładowaniu ciągłym, maksymalny pobór prądu nie powinien przekraczać Ir=(8-10) C w czasie (4-5) minut. Charakterystyczne dla akumulatorów NiCd jest również stałe napięcie U=1,2 V w czasie całego okresu rozładowywania. Za napięcie końcowe rozładowania przyjmuje się wartość U=1,0 V. Wadą akumulatorów niklowo-kadmowych jest stosunkowo duże natężenie prąd samorozładowania (ok.1% na dobę). Efektem tego jest niska sprawność przy ładowaniu podtrzymującym. Jednak należy podkreślić, że jest ono mniejsze od natężenia prądu samorozładowania akumulatorów NiMH (ok. 1,5% na dobę).

Czas eksploatacji

Najczęściej podawanym parametrem akumulatorów NiCd jest ilość cykli ładowania i rozładowania, który osiąga wartość ok.1000. Wartość ta jednak silnie zależy od sposobu eksploatacji akumulatora. Gdy następuje przeładowanie ogniwa, rośnie jego temperatura wewnętrzna, co przyśpiesza degenerację materiałów wchodzących w skład konstrukcji akumulatora. Podobny proces zachodzi przy silnym wyładowaniu. Gdy akumulator składający się z wielu ogniw jest rozładowywany, istniejące różnice pojemności mogą spowodować, że niektóre ogniwa osiągną napięcie końcowe rozładowania nieco wcześniej niż pozostałe. Przy powtórnym ładowaniu część ogniw będzie nie w pełni naładowana, a część przeładowana, co w konsekwencji skróci czas eksploatacji akumulatora. Przy silnym rozładowaniu, kiedy napięcie ogniwa spada poniżej U=0,2 V, zdarza się, że może wystąpić odwrócenie polaryzacji. Warunkiem poprawnej eksploatacji akumulatorów NiCd jest ich rozładowywanie do napięcia U=1,0V/ogniwo. W ten sposób unika się różnic pojemności poszczególnych ogniw i osiąga najlepsze funkcjonowanie akumulatora.

Cechy charakterystyczne

• Przy tej samej objętości akumulatory NiCd posiadają niższą pojemnością od akumulatorów NiMH.
  
• Znamionowe napięcie ogniwa wynosi U=1,2 V.
  
• Normalne ładowanie przeprowadzane jest prądem 0,1 C (przez około 14-16 godzin).
  
• Napięcie w końcowej fazie ładowania zawarte jest w granicach U=(1,45-1,5)V.
  
• Ładowanie natężeniem prądu mniejszym niż 0,2 C nie wymaga kontroli ładowania, z wyjątkiem pomiarem czasu.
  
• Minimalny czas szybkiego ładowania wynosi około 15 minut.
  
• Akumulatory NiCd posiadają "efekt pamięci" - przy pracy z niepełnym ładowaniem i rozładowaniem tracą nominalną pojemność.
  
• Przegrzanie podczas ładowania (t>45°C) skraca czas eksploatacji.
  
• Zalecane natężenie prądu rozładowania nie powinno być większe niż 10C.
  
• Końcowe napięcie rozładowania wynosi U=1,0V.
  
• Małe natężenie prądu samorozładowania 1,0 % dziennie.
  
• Duża zależność parametrów ogniwa od temperatury

Podsumowanie

Stosunkowo niski ciężar, duża gęstość energii, bardzo duża liczba cykli ładowania i rozładowania, długi czas eksploatacji, niska wartość prądu samorozładowania, to niezaprzeczalne zalety akumulatorów NiCd. Jeżeli stosowane jest szybkie ładowanie dużym natężeniem prądu, to wymagane jest ścisłe przestrzeganie zasad szybkiego ładowania, co w znacznym stopniu przedłuża czas eksploatacji akumulatora. Parametry ogniwa NiCd są w znacznym stopniu zależne od temperatury. Rezystancja wewnętrzna wzrasta ze spadkiem temperatury, co w pewnym stopniu ogranicza zastosowania w niskich temperaturach dodatnich i znacząco w temperaturach ujemnych. Jednocześnie używanie akumulatorów NiCd przy wysokich temperaturach otoczenia jest możliwe, pod warunkiem użycia akumulatorów wykonanych specjalnie do tego celu. Niestety ze względu na bardzo szkodliwy kadm, który zawierają akumulatory NiCd , należy ograniczać ich zastosowania i częściej sięgać po alternatywne źródła napięcia.

Przygotowano na podstawie informacji technicznych zawartych w rozdziale: "Ogniwa, baterie, akumulatory - NIECO TEORII" katalogu ELFA.