Расставляем точки на Li: Нужна ли тренировка литиевых аккумуляторов?

Прошло уже достаточно времени с тех времен, когда Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторы безраздельно властвовали в мобильных устройствах, но с самого начала эпохи Li-ion и Li-pol все не утихают споры по поводу того, надо ли «тренировать» эти аккумуляторы сразу после покупки.
Доходит до смешного, в теме обсуждения ZP100 на china-iphone всем новичкам рекомендовали в приказном тоне пройти 10 циклов зарядки-разряда, а только потом приходить с вопросами о аккумуляторах.



Давайте попробуем разобраться, имеет ли такая рекомендация право на жизнь, или это рефлексы спинного мозга (за отсутствием головного, наверное) некоторых индивидуумов, у которых они остались со времен никелевых батарей.

Текст может и наверняка содержит орфографические, пунктуационные, грамматические и другие виды ошибок, включая смысловые. Автор будет благодарен за сведения о них (конечно, в приват, а еще лучше с помощью вот этого замечательного расширения), но не гарантирует их устранение.

О терминологии

• А (Ампер(A), или миллиампер — мА, микроампер — мкА) — значение силы тока в проводницеке. Может быть как большим, так и маленьким. Ток в 100А может сваривать листы железа, но взяв в руки провода от БП 5В 100А, вы ничего не почувствуете, потому что никаких 100А через вашу кожу не пройдет — сопротивление тела слишком большое для прохождения тока.
• В (Вольт(V), или милливольт — мВ, микровольт — мкВ) — значение напряжения. Большое напряжение создаст длинную искру, но при маленьком токе источника вас только треснет, но никак не превратит в горстку пепла. Пример — статическое электричество, напряжения составляет до 10кВ, а токи мизерные.
• Ом (Омы(Ohm), или килоом — кОм, мегаом — МОм) — значение сопротивление. Именно высокое сопротивление вашего тела (приблизительно 15 кОм) позволяет вам держать провода из первого пункта. Проходя по проводу, имеющему сопротивление (а все провода имеют сопротивление, и чем провод дальше из провинции китая тоньше, тем оно выше), напряжение падает на определенную величину, которая зависит от силы тока. Поэтому для обогревателя нужен толстый провод, а для лампочки — тонкий, хоть напряжение в обоих случаях 220В. Применительно к аккумуляторам и батареям (да и вообще ко всем источникам тока), можно говорить о внутреннем сопротивлении. Это сопротивление не даст вам получить большой ток за малое время, хотя аккумулятор при коротком замыкании очень к этому стремится — возникающая искра при замыкании клемм — это как раз несколько ампер тока при напряжении меньше вольта. Связано это с тем, что скорость ионов внутри аккумулятора не очень велика. Вязнут, бедняжки, по колено в полимере
• Вт (Ватт(W), или милливатт — мВт, дальше вы поняли, да?) — в простейшем представлении, это мощность постоянного тока, вычисляемая умножением вольт на амперы. К примеру, БП ноутбука, который выдает 3А при напряжении в 20В, и лабораторный блок питания, выдающий 3В, при токе в 20А, отдадут в нагрузку одинаковую мощность в 60Вт. Потребят из сети они больше, из-за того, что их КПД не 100% — часть энергии перейдет в тепло.
• Вт·ч (Ватт-час) — мера энергии. Из названия должно быть понятно, что 1 Вт·ч — это энергия, которую кто-то получит (или отдаст), принимая (или отдавая) мощность в 1Вт в течении часа. Или 60Вт в течении минуты. Вот тот БП выше, он как раз отдает каждый час 60Вт·ч. Вот это «правильная» емкость, которая не дает информации о самом аккумуляторе, но дает полное представление о его емкости.
  Еще есть киловатт-часы, кВт·ч — их пишут в квитанциях. Если оставить БП включенным, он выжрет энергии за месяц на 60Вт·ч*24*30 т.е. примерно на 43кВт·ч, или на 73 рубля. Разумеется, то, что выдает блок питания на выходе(те 20В и 3А) должен кто-то потреблять, ну и о КПД не забываем, это я упростил.
  
• А·ч (ампер-часы) — Заряд. Общепринято, хоть и ошибочно называется емкостью. Почему ошибочно? Потому что без напряжения, по одной цифре 5А·ч нельзя ничего понять — это говорит лишь о том, что например аккумулятор может выдать ток в 5 ампер в течении часа. Или один ампер в течении 5 часов. А вот сколько будет выдано энергии в течении этого часа — зависит от напряжения питания и от прожорливости потребителя. Проще говоря, А·ч это Вт·ч, из которых выдрали вольты(Вт — В*А, если В убрать, останется А). Казалось бы, что может быть проще — на аккумуляторе написано 2А·ч, 3.7В, умножай 2 на 3.7, получай 7.4Вт·ч и радуйся. Но есть нюанс(с). Вот он:
  
  Это график разряда литиевого аккумулятора, на котором видно, что напряжение снижается к концу разряда. А это означает, что простое умножение А·ч на В (которое сработало бы в случае с блоком питания, выдающим стабильное напряжение), дает значение энергии с очень большой погрешностью. Для того, чтоб узнать, сколько ватт-часов в аккумуляторе, можно, например, построить график мощности (которую можно получить умножением мгновенных значений тока и напряжения) а потом найти площадь под кривой этого графика:
  
  Это сложнее, но зато в результате мы получаем ватт-часы.
• xC — просто удобное обозначения тока заряда или разряда аккумулятора. Когда говорят о зарядке током 2С, или 0.1С, обычно имеют в виду, что ток должен составлять (2*емкость аккумулятора)/h или (0.1*емкость аккумулятора)/h.
  К примеру, аккумулятор емкостью 720mAh, для которого ток заряда составляет 0.5С, надо заряжать током 0.5*720mAh/h = 360мА

О чтении даташитов

В гугле был найден даташит на аккумулятор, состоящий из одной странички:

Расшифрую, что там написано.
Думаю, что такое Nominal capacity и Minimum capacity всем понятно — обычная емкость, и минимальная емкость. Обозначение 0,2 С означает что такой емкости он достигает, только если его разряжать током в 0.2 от его емкости — 720*0.2=144мА.
Charding voltage и Nominal Voltage — Напряжение зарядки и напряжение работы тоже просто и понятно.
А вот следующий пункт уже сложнее — Зарядка.
Method: CC/CV — Означает, что первую половину процесса зарядки надо поддерживать постоянный ток(он указан ниже, 0.5С стандартно — т.е. 350мА, и 1С максимально — 700мА). А после достижения напряжения на аккумуляторе 4.2в, надо установить постоянное напряжение, те же самые 4.2в.
Пункт ниже — Standart Discharge, Разряд. Предлагают разряжать током от 0.5С — 350мА и до 2С — 1400мА до напряжения 3в. Производители лукавят — на таких токах емкость будет ниже заявленной.
Максимальный ток разряда как раз и определяется внутренним сопротивлением. Но надо различать максимальный ток разряда и максимально-допустимый. Если первый может составлять 5А, и даже более, то второй жестко оговорен — не более 1,4А. Связано это с тем, что при таких больших токах разряда аккумулятор начинает необратимо разрушаться.
Дальше идет информация о весе и температуре работы: зарядка от 0 до 45 градусов, разрядка от -20 до 60. Температура хранения: от -20 до 45 градусов, обычно при заряде 40%-50%.
Время жизни обещают не менее 300 циклов(полный разряд-заряд током 1С) при температуре 23 градуса. Это не означает, что после 300 цикла аккумулятор выключится и больше не включится, нет. Просто производитель гарантирует, что 300 циклов емкость аккумулятора падать не будет. А дальше — как повезет, зависит от токов, температуры, условий работы, партии, положения луны и так далее.

О зарядке

Стандартный метод, которым заряжаются все литиевые аккумуляторы(li-pol, li-ion, lifepo, только токи и напряжения отличаются) это СС-CV, упоминавшийся выше.
В самом начале заряда поддерживаем постоянный ток. Обычно это делают схемой с обратной связью в зарядном устройстве — автоматически подбирается такое напряжение, чтобы ток, проходящий через аккумулятор, был равен необходимому.
Как только это напряжение становится равно 4.2 вольтам(для описываемого аккумулятора), больше поддерживать такой ток нельзя — напряжение на аккумуляторе возрастет слишком сильно(мы помним, что нельзя превышать рабочее напряжение у литиевых аккумуляторов), и он может нагреться и даже взорваться.
Но сейчас аккумулятор заряжен не полностью — обычно на 60%-80%, и для зарядки остальных 40%-20% без взрывов ток надо снизить.
Проще всего это сделать, поддерживая постоянное напряжение на аккумуляторе, и он сам возьмет такой ток, который ему необходим. При снижении этого тока до 30-10мА аккумулятор считается заряженным.
Для иллюстрации всего вышеописанного я раскрасил в фотошопе подготовил график заряда, снятый с подопытного аккумулятора:

В левой части графика, подсвеченной синим, мы видим постоянный ток 0.7А, в то время как напряжение постепенно поднимается с 3.8В до 4.2В. Также видно, что за первую половину заряда аккумулятор достигает 70% своей емкости, в то время как за оставшееся время — всего 30%

О технологии тестирования

В качестве подопытного был выбран вот такой аккумулятор:

К нему был подключен Imax B6(я писал про него вот тут):

Который сливал на компьютер информацию о заряде-разряде. Графики строились в LogView.
Потом я просто подходил раз в несколько часов и попеременно включал заряд-разряд.

О результатах

В результате кропотливой работы(а вы сами попробуйте тыкать зарядку на протяжении 2 недель) были получены два графика:

Как понятно из его названия, он показывает изменение емкости аккумулятора на протяжении первых 10 циклов. Она немного плавает, но колебания составляют около 5% и не имеют тенденции. В целом, емкость аккумулятора не изменяется. Все точки сняты при разряде током 1С(0.7А), что соответствует активной работе смартфона.
Две из трех точек в конце графика — показывают, как изменяется емкость при низкой температуре аккумулятора. Последняя — как изменяется емкость при разряде большим током. Об этом следующий график:


Показывает, что чем больше ток разряда — тем меньше энергии можно получить с аккумулятора. Хотя, вот хохма, даже на самом мизерном токе в 100мА аккумулятор по емкости не соответствует даташиту. Все врут.

Хотя нет, тест аккумулятора от Mugen Power на 1900mAh для Zopo ZP100 показал вполне честные почти-два-ампера:


А вот китайский аккумулятор на 5000mAh набрал всего 3000:

О выводах

1. Тренировка литиевых аккумуляторов, состоящих из одной банки, бессмысленна. Не вредна, но тратит циклы работы аккумуляторов. В мобильных устройствах тренировку нельзя даже оправдать работой контроллера — параметры аккумулятора одинаковы, не меняются в зависимости от модели и времени. Единственное, на что может влиять недостаточный разряд — на точность показаний индикатора заряда (но не на время работы), но для этого достаточно одной полной разрядки раз в полгода.
   Еще раз. Если у вас плеер, телефон, рация, кпк, планшет, дозиметр, мультиметр, часы или любой другой мобильный девайс, использующий аккумулятор Li-Ion или Li-Pol(если он съемный, на нем будет написано, если он не съемный — то 99% это литий) — «тренировка» длиннее одного цикла бесполезна. Один цикл тоже, скорее всего, бесполезен.
   Если у вас аккумулятор для управляемых моделей, то первые несколько циклов надо разряжать малыми токами(малыми, хе-хе. Для них малые — это 3-5С. Это вообще-то полтора ампера на 11 вольтах. А рабочие токи там до 20С). Ну, кто пользуется этими аккумуляторами, тот знает. А всем остальным это не пригодится, разве что для общего развития.
2. В некоторых случаях, при использовании батарей с несколькими банками полный разряд-заряд может увеличить емкость. В батареях ноутбуков, если производитель поскупился на умный контроллер батареи, который не балансирует банки в последовательном соединении при каждом заряде, полный цикл может увеличить емкость на следующую пару циклов. Происходит это за счет выравнивания напряжения на всех банках, что приводит к их полному заряду. Несколько лет назад мне попадались ноутбуки с такими контроллерами. Сейчас не знаю.
3. Не верьте надписям на этикетках. Особенно китайским. В прошлом топике я приводил ссылку, в которой огромный тест китайских батарей не выявил ни одной, емкость которой соответствовала надписи. НИ ОДНОЙ! Всегда завышают. А если не завышают, гарантируют емкость только в тепличных условиях и при разряде малым током.
4. Держите аккумулятор в тепле. Смарт в кармане джинс будет работать немного дольше, чем в наружном кармане куртки. Разница может составлять 30%, а зимой и того больше.
5. Подписывайтесь на меня. Сделать это можно в моем профиле(кнопка «подписаться»).