Teoretický úvod, snaha o vymýcení nepravd o akumulátorech

Tento úvod bude pro elektrotechnické laiky nezáživný a mohou jej klidně přeskočit, pro ty znalejší naopak velmi kontroverzní. Nicméně, je třeba se smířit s tím, že dlouhá léta omílané pravdy již nemusí, vzhledem k rozvoji všech technologií, platit.

Nevěřícím Tomášům doporučuji firemní dokumentace SANYA a ostatních výrobců, webové technické stránky, případně Amatérské rádio či jiné elektrotechnicky zaměřené časopisy.

Dále uvedený text řeší běžné používání a nabíjení dostupných akumulátorů s ohledem na fotografickou oblast, zcela úmyslně vypouští modelářský směr, kde jsou používané výkony i proudy mnohonásobně větší a leccos zde napsané tam zase až tak doslova nemusí platit. A tak začneme:

1. Nabíjecí křivka

Pokud nabíjíme akumulátor (NiCd nebo NiMH), jeho napětí pomalu vzrůstá, při dosažení plné kapacity článku pak dojde k zlomu křivky napětí a současně se článek začíná přiváděným proudem již pouze zahřívat. Další proud není schopen pojmout a ten se přetváří již pouze v teplo. Křivky průběhu napětí a teploty v závislosti na čase při nabíjení vidíte na obrázku, platí vždy pro jeden článek s napětím 1,2 V; pro NiCd a NiMH varianty mají křivky nepatrně odlišný průběh.

Nabíjecí proces by měl být teoreticky ukončen v okamžiku záporného zlomu křivky napětí (tj. když napětí začne klesat a teplota stoupat). Jak bude uvedeno dále, nemusí to být z pohledu dlouhodobé životnosti článku ideální. Jinou variantou je těsně před vrcholem křivky snížit nabíjecí proud a po určitý, pevně daný časový okamžik tímto proudem nabíjení dokončit.

NiCd akumulátory mají křivku nepatrně jinou proti NiMH akumulátorům. Aby to nebylo tak jednoduché, liší se dále strmost křivky podle nabíjecího proudu, takže nabíječka by měla všechny tyto záležitosti při různých proudech jednoznačně poznat. Dnešní řízené nabíječky mohou postupovat následovně:

• po krátký časový okamžik (řádově v minutách) se článek nabíjí malým proudem, tato fáze se nazývá předformátování a slouží k “oživení” hluboce vybitých článků. Pokud nabíječka má tuto fázi, do daném čase si změří, zda došlo k vzrůstu napětí na článku a pokud ano, pokračuje dále. Pokud ne, nahlásí závadu článku, prostě ho nelze nabíjet pro vnitřní zkrat nebo z jiného důvodu
• následuje rychlé nabíjení plným nabíjecím proudem (ne všechny články ho umožňují, viz doporučení výrobce), časový interval zde není určen, nabíječka čeká na vzrůst napětí článku těsně před dosažením plné kapacity článku
• pak pokračuje závěrečné nabíjení s výrazně nižším proudem (např. 1/4 nabíjecího proudu) po určitý omezený čas nebo do nalezení záporného zlomu křivky napětí
• trvalé udržovací nabíjení, které by mělo pouze hradit ztráty článku samovybíjením, to už je realizováno velmi malým proudem nebo krátkým pulsem nabíjecího proudu za několik desítek minut

Ten první zlom křivky napětí (vzrůst před koncem nabíjení) rozpoznají nabíječky s hlídáním napětí podle +dU/dt, druhý zlom (pokles za vrcholem křivky) pak s hlídáním podle -dU. Některé mají obě funkce, některé jen jednu, podstatné je, že toto je jediný možný a regulérní způsob, jak zjistit konec nabíjecího cyklu u NiCd nebo NiMH akumulátorů. Vzhledem k tomu, že křivky u obou typů akumulátorů mají rozdílnou strmost, jsou některé nabíječky určené pouze pro NiCd akumulátory, jiné pouze pro NiMH a pár jich dokáže nabít oba typy, vždy je rozhodující dokumentace a návod od výrobce.

Pokud na nabíječce nebo v její dokumentaci není přímo uvedeno, že pracuje s funkcí +dU/dt, případně s -dU, je to jen časovač, možná chytrý, ale nikoliv “inteligentní” nabíječka.
Občas se, vzhledem k nevýraznému konci nabíjecí křivky u NiMH akumulátorů, používá metoda 0dU/dt. V praxi to znamená, že pokud se během daného časového intervalu (třeba několika minut) napětí na NiMH akumulátoru již nezvyšuje, je nabíjení ukončeno. Není to vůbec špatné řešení, protože řada akumulátorů NiMH i značkových výrobců má natolik plochou křivku, že obvody řady U240X neukončí nabíjení (vlastní zkušenost).

2. Způsoby nabíjení

Pomalé nabíjení – základní, poměrně jistá a bezpečná metoda nabití akumulátoru, pokud je před nabíjením opravdu vybitý. Nabíjí se proudem rovným 1/10 kapacity článku po dobu 12 – 16 hodin, údaje jsou na článku opět uvedeny výrobcem. Pro jinou kapacitu článku a stejný nabíjecí proud ho musíte nechat v nabíječce o odpovídající dobu déle. Výhodou je, že pokud v nabíječce zapomenete akumulátory, ohřejí se, ale díky malému proudu zpravidla nezničí.

Zrychlené nabíjení – používá se u moderních článků, nabíjí se proudem o 1/3 – 1/5 kapacity článku po dobu 3 – 6 hodin. Tady je již vhodné mít i hlídání teploty článku a dodržet čas, jinak už může dojít ke zničení článku. Nabíječky s kontrolou nabíjení podle změny napětí v čase dU/dt nabíjejí tímto způsobem.

Bohužel většina nabíječek v cenových relacích 500 – 1000,- Kč nabíjí takto rovněž, ale čas je hlídán časovačem, nikoliv sledováním křivky napětí a proud je nastaven na jakousi univerzální hodnotu bez ohledu na kapacitu článku. Zpravidla jsou nazývány “inteligentní” nabíječky a jsou nejrozšířenější (také jsem si ji koupil). Po změření nabíjení jsem došel k těmto výsledkům – nabíječka nabíjí zrychleně cca 2 hodiny proudem 300 mA (mikrotužkové články to ničí, tužkové jsou za mezními parametry ale pár desítek cyklů vydrží). Pak se přepne na dobíjení nad 100% kapacity, málo výkonné články jsou již spolehlivě přebíjeny a hřejí se, výkonné naopak dobíjeny na plnou kapacitu. To je ukončeno po cca 3 – 4 hodinách bez ohledu na to, jakou kapacitu má vložený článek.

Rychlé nabíjení – vynutila si ho rychlost dnešního života a vzrůst kvality vyráběných akumulátorů. Jde o to, že například pracovní stroje poháněné akumulátory nemohou ležet několik hodin při nabíjení akumulátoru, fotograf nemůže čekat celou noc na dobití sady do blesku atd. Pak se začínají používat speciální odolné akumulátory s nabíjecím proudem rovným jejich kapacitě (nebo dokonce větším). Příslušná nabíječka je pak schopná je plně nabít do hodiny, ovšem za 100% kontroly napětí a teploty článků. Tady končí humor, varování většiny výrobců jsou jasná a explodující či vyteklý akumulátor minimálně nepříjemný. Nabíječky i akumulátory jsou relativně drahé a používají je špičkový výrobci (např. akunářadí HILTI, tužkové akumulátory TWICELL SANYO AA NiMH 1600 mA). U akubloků jsou většinou tepelná čidla vestavěna přímo mezi akumulátory.

Co ví poměrně málo uživatelů, tyto nabíječky lze relativně levně postavit, jejich základem je totiž jediný integrovaný obvod s cenou kolem 100,- Kč; který je schopen při doplnění externími součástkami zajistit všechny funkce.

3. Stejnosměrné, pulzní nabíjení nebo nabíjení tepavým proudem

Zde opět zklamu řadu příznivců moderních metod. V podstatě je jedno, jakým proudem článek nabijete, rozhodující je pouze dodaná a správná výsledná kapacita. Stejnosměrné nabíjení používají nejlevnější nabíječky a patří mezi spolehlivý způsob. Je-li proud filtrován kondenzátorem nebo brán přímo za usměrňovačem (tepavý proud) je lhostejné.

Pulzní nabíjení vzniklo z jiných důvodů a následně bylo částečně zneužito reklamou, jak jinak. Když totiž nabíjíte článek, nelze měřit jeho napětí. Proto kvalitní nabíječky vypínají v různých intervalech nabíjecí proud a následně měří napětí na článku. Hodnotu uchovají v paměti a porovnají s předchozími měřeními, z rozdílu pak určují výpočtem, zda bylo dosaženo zlomu na nabíjecí křivce a jestli je třeba ukončit nabíjení. Takže zde je pulzní nabíjení nutností a zajišťuje jen a pouze funkčnost měření.

U většiny prodávaných “pulzních” nabíječek je sice rovněž nabíjeno proudovými pulsy, ale mezi nimi neprobíhá žádné měření, spíše jde o ochranu článku před tepelným přehřátím.

4. Paměťový efekt

Paměťový efekt je u současných článků dokola omílán, leč je jen a pouze NESMYSLEM. Je natolik zakořeněný i v pamětech leckterého elektrikáře, že dále uvedený text omezím jen a pouze na fakta od výrobců akumulátorů. Ještě podotýkám, že dále uvedené údaje platí pro korektní výrobce, nikoliv pro NoName akumulátory koupené za pár korun.

Za prvé, paměťový efekt u NiCd článků vzniká za natolik nevýhodných podmínek (malé vybití/rychlé dobití a zatížení článku), že v praxi se k němu téměř nelze dobrat. Například výrobce SANYO k němu dochází testováním se stovkou neúplných vybíjecích/nabíjecích cyklů. Výsledný rozdíl v konečném napětí se liší o setiny voltu a kapacita o méně než 3%. Což běžný uživatel nemá šanci vůbec poznat, u blesku by to bylo cca o jeden záblesk méně, když ale nabité články necháte týden v šuplíku, samovybíjením ztratí mnohem víc. Pokud opravdu dojde ke vzniku paměťového efektu, jedná se u současných článků o jev reverzibilní, tj. pokud článek několikrát (2 – 3x) vybijete/nabijete na plnou úroveň, jev zmizí.

Za druhé, NiMH články mají tento jev mnohem větší než NiCd, přes zavedenou reklamu, že tomu tak není. U nich k němu dochází po cca 20 neúplných cyklech, výsledný pokles kapacity je o něco větší, nicméně opět ho lze odstranit několika úplnými cykly vybití/nabití.

Proč tedy v mnoha situacích dojde ke snížení kapacity článku až k jeho zničení? Asi nejvíc na vině jsou “nabíječky”, které nedokáží rozpoznat zlom na nabíjecí křivce a ukončit nabíjení, takže článek je přebíjen a zbytečně zahříván (a ničen). Vzhledem k ceně článků doporučuji jednoznačně poctivou nabíječku – buď levnou se stálým malým proudem a nabíjením 12 – 14 hodin (vybitý článek) hlídaným obsluhou nebo se skutečným hlídáním zlomu křivky napětí na článku. Ta druhá je sice výrazně dražší, ale umožní články dobíjet kdykoliv bez rizika zničení.

5. Nabíjení nad 100%, další kapacita získaná přebíjením

Opět jeden z nesmyslných údajů na řadě nabíječek i v hlavách uživatelů. Akumulátor nelze nabít nad jeho kapacitu, i když počáteční kapacita je zpravidla větší, než udává výrobce. Nabíjení je chemický proces, který je dosažením plné kapacity ukončen a další dodávaný proud je měněn již pouze na teplo a ničí pomalu článek. Není co dodat.

6. Vybitý článek

Krátká poznámka, vybitý článek nemá nulové napětí, jak se občas lidé domnívají. Většina výrobců uvádí jako vybitý akumulátor (1 článek) s napětím v rozsahu 0,95 až 1,0 V, pokud je dosaženo úrovně pod 0,8 V hrozí již zničení článku. U akubloků je nutné přepočítat tuto hodnotu na počet použitých článků, při 10 článcích (akublok 12 V) je to v rozsahu 9,5 – 10 V.
Na rozdíl od klasické baterie je pokles napětí velice ostrý, články drží napětí a po vyčerpání kapacity najednou “spadnou”. U blesku je to dílem jediného záblesku, všeobecně rozšířený název pro tuto vlastnost je “náhlá smrt”.

7. Pokles kapacity, samovybíjení, životnost, tepelné zatížení

NiCd i NiMH články mají určitý pokles kapacity během používání, přepočítávaný na počet nabíjecích/vybíjecích cyklů. Při použití kvalitní nabíječky mají články NiCd po cca pěti stech cyklech pokles skutečné kapacity proti původní o 10%, články NiMH dokonce o 30%.

Samovybíjení článků je těžko určitelné, jedná se o vnitřní jev, jehož rychlost přímo úměrně vzrůstá s okolní teplotou. Je možné ho omezit umístěním článků do nízkých teplot kolem 0°C, kdy se téměř zastavuje (opět se jedná o chemický proces). V běžných teplotách je úbytek kapacity nezanedbatelný a při dlouhém skladování v rozmezí týdnů až měsíců je vhodné články před použitím dobít na plnou kapacitu, jinak můžete být nepříjemně překvapeni velmi malou výdrží. Zde mají NiMH opět horší parametry (pokles cca 15% za měsíc) než staré dobré NiCd (cca 10% za měsíc).

K životnosti článků lze jen dodat – správná nabíječka, rozumné okolní teploty, bránit hlubokému vybití (trvalé připojení na zátěž). Údaje na článku by pro Vás měly být podstatné, pokud na něm výrobce uvádí nabíjecí proud max. 175 mA/5 hodin (příklad), dodržte ho. Do auta také nedáte výkonnější benzín, propálila by se hlava motoru. U článků je to stejné.
Tepelné zatížení článku, ať už velkými nabíjecími/vybíjecími proudy, teplotou okolí, přebíjením nebo také příliš velkým odebíraným proudem může mít katastrofální následky. Většinou teplo je ve skutečnosti příčinou “paměťového efektu” a hlavně jím lze články zcela dokonale zničit. Ideální pracovní i skladovací teplotou je rozmezí 15 – 20°C. Při teplotě 40°C má článek poloviční životnost, při teplotě 60°C již pouze desetinovou!

8. Prodloužení životnosti akumulátorů

Závěrem si dáme opět jeden málo známý, v technických datech výrobců však uvedený paradox. Nejvyšší životnosti akumulátorů NiCd a NiMH dosáhneme při splnění podmínky vybíjení jen o 25% kapacity a s následným nabitím. Pak lze s NiCd a NiMH akumulátory dosáhnout neuvěřitelného počtu až 5000 cyklů. Při plném vybíjení je zpravidla zaručeno 500 cyklů, při vybíjení o 75% však už více než 1000 cyklů, při polovičním vybíjení článků stále téměř 2000 cyklů vybití/nabití.

Opět jde o přímou informaci od výrobce, uvedené údaje o počtu cyklů jsou minimálními hodnotami, dosažitelné skutečné počty jsou vyšší.