Baterie w aparatach
autor: Marek Lewandowski, www.stud.uni-karlsruhe.de/~uyh0, 19.12.2004
tekst pojawił się na grupie dyskusyjnej pl.rec.foto.cyfrowa
Dla tych, co wierza, ze batere alkaliczne pogonia ich nowa zabawke...:
Krotki a prosty wywod, dlaczego sie myla.

wezmy takie dwa ogniwa:

Alkaliczne: (ok. 2.5Ah) > zobacz
accu NiMH: > zobacz

zalozmy, ze aparat poganiany jest z kompletu 4 ogniw, rozladowuje je do ok. 1.0V/cele (tak powinien, zeby nie psuc zanadto accu) i przy 4V sie wylacza. Zalozmy, ze aparat ciagnie srednio ca. 1A, w szczycie potrafi zassac 2A.

Swiezo naladowana bateria ma Rin w okolicy 150mOhm. Badzmy optymistami i zalozmy, ze przy rozladowywaniu nie wzrosnie (to nieprawda, wzrosnie i to nawet dwukrotnie). 150mOhm przy poborze chwilowym 2A daje spadek napiecia 300mV. Poniewaz aparat nam sie wylaczy, gdy napiecie spadnie do 1.0V na zaciskach ogniwa, to znaczy, ze bez obciazenia napiecie baterii nie moze spasc ponizej 1.3V.

Z datasheetu wynika, ze 1.3V cela osiagnie po 10 minutach pracy z obciazeniem 1W (ciagniemy _srednio_ 1A, wiec bierzemy nawet wiecej, niz 1W z pojedynczej celi, ale zalozmy ze tak), lub - dla oszczedniejszego aparatu - po jakims kwadransie pracy.

1A * 10 minut = 150mAh
1A * 15 munut = 250mAh, czyli z nominalnej pojemnosci baterii rownej 2500mAh mozemy wykorzystac <10%.

Teraz accu:
Rin = 30mOhm
dU przy poborze 2A z pakietu: 60mV
accu obciazony srednio 1A ma napiecie 1.06V przy praktycznie calkowitym rozladowaniu, czyli po ponad 2h.
Z accu wyciagamy niemal 100% nominalnej pojemnosci.


***
23.10.2004, 3:53

Mity i legendy poziom 1:
- Baterie LiION są lepsze.

Z tym się ciężko polemizuje, więc spróbujmy zdefiniować "lepsze":

Mity i legendy poziom 2:
- Baterie LiION są lekkie
- nie mają efektu pamięci, więc można je doładowywać kiedy się chce!
- Mają DUUUUŻĄ pojemność!

No, tu już się można ustosunkować (czyli przypieprzyć).

Zacznijmy od tego, że LiIONek jest trochę i to różnych.

Canon pakuje w swoje BP-511 standardowe cele przemysłowe, produkowane m.in. przez GP: > zobacz
GP1750L110, czyli średnica 17mm długość 50mm pojemność 110(0)mAh AKA rozmiar A.

Panasonic robi je również, ale w dużo niższej pojemności (800mAh).
Sanyo robi podobne cele, o 1mm większe (nie całkiem mieści się w standardzie A, a i do standardowej obudowy BP-511 nie za bardzo wlezie, zamienniki bazujące na Sanyo muszą mieć nieco cieńszą skorupkę) i o połowę większej pojemności, ale Canon ZTCW ma kontrakt z GP, a nie z Sanyo :D
Zresztą, wała im, nie chodzi o to kto komu, tylko dlaczego. GP publikuje najwięcj informacji o swoich celach LiION, więc weźmy je na tapetę.

Cele równoważne danej w technologii NiMH to GP250AFH produkcji GP (2500mAh): > zobacz
HHR210A Panasonica (2100mAh): > zobacz

Dalej the best a cat can get w dziedzinie high-capacity-low-drain z NiCd to:
GP140AFK od GP (1400mAh min, 1500mAh typ.): > zobacz
P-140AS Panasonica (1400mAh): > zobacz
UWAGA: te cele mają ograniczoną zdolność do rozładowywania wysokimi prądami (w stosunku do zwykłych NiCd)

No, zakasaliśmy rękawy, mamy materiał, to bieriom się do roboty:

Najpierw sprowadźmy się na ziemię jeśli chodzi o pojemności. mAh to nie jednostka energii, więc trzeba się jakoś doprowadzić do SI:
(kto chce, może przewinąć dalej do interpretacji, bo tu leci stado statystyki)

LiION:

zakres nominalnych rozładowań: 220 do 1100mA
przy 220mA:
średnie napięcie ogniwa ca. 3.8V,
średnia moc oddawana 0.84W,
całkowita energia oddana: 4.2Wh = 15kJ
przy 1100mA:
średnie napięcie: 3.4V
średnia moc oddawana: 3.75W
całkowita energia oddana: 3.75Wh = 13.5kJ (1.5kJ poszło w ciepełko)

Czas życia nominalnie: 500 cykli - do 70% pojemności.
Pojemność na końcu życia: 2.95Wh max.
Całkowity ładunek przepompowany przez celę: 500x(4.2+2.95)/2 = 1.8kWh

NiMH:

zakres nominalnych rozładowań: 250 - 7500mA
przy 250mA:
średnie napięcie ogniwa: 1.25V
średnia moc oddawana: 0.3W
całkowita energia oddana: 3.1Wh = 11.25kJ
przy 7500mAh:
średnie napięcie ogniwa: 1.15V
średnia moc oddawana: 8.6W (!)

całkowita energia oddana: 2.6Wh = 9.3kJ

Czas życia nominalnie: powyżej 500 cykli do 80% pojemności
pojemność na końcu życia: 2.5Wh max.
Całkowity ładunek przepompowany przez celę: 500x(3.1+2.5)/2 = 1.4kWh

NiCd:

zakres nominalnych rozładowań: 140 - 4200mA
przy 140mA:
średnie napięcie ogniwa: 1.3V
średnia moc oddawana: 0.18W
całkowita energia oddana: 1.8Wh = 6.6kJ
przy 4200mAh:
średnie napięcie ogniwa: 1.18V
średnia moc oddawana: 5W
całkowita energia oddana: 1.24Wh = 4.46kJ

Czas życia nominalnie: >500 cykli do 80%. Tu wtopa, bo to jest po prostu
norma IEC, normalnie NiCd żyją do około 1000 cykli.

pojemność na końcu życia: 1.45Wh max
Całkowity ładunek przepompowany przez celę: 500x(1.8+1.45)/2 = 0.8kWh

//********************************************
Czytacie jeszcze?

No dobra.
I co z tego wynika?

Na start: NiCd w zastosowaniach foto się skończyły. Serie wysokiej pojemności nie podchodzą z tą pojemnością wpół drogi do NiMH, a jednocześnie tracą swoje obciążalności. Cele wysokich mocy są dostępne w oobudowach minimalnie sub-C i nie grzeszą wielkimi pojemnościami (w stosunku do objętości), a foto nie potrzebuje rajdowych mocy które starczają na 5 minut.

Jeśli chodzi o czas życia, czyli całkowity ładunek przechodzący przez celę, to przy łagodnej eksploatacji LiION są werte tyle samo, co NiMH.
Ze statystyki wyżej wynika 25% na korzyść LiION, ale tylkko przy założeniu, że NiMH nie wytrzymają więcej niż 500 cykli, a te 500 dla LiION podawane jest jako TYPOWY czas życia, a dla NiMH MINIMALNY czas życia. Zgadnijcie, co to znaczy.

Dalej: Aparaty cyfrowe mają tę upierdliwą wadę, że ciągną sobie spokojnie niewiele prądu, ale przy zoomowaniu, ostrzeniu, robieniu zdjęć potrzebują chwilami dużo MOCY. Dla kompaktowych cyfraków nie jest to aż tak widoczne, bo tam LCD, podświetlenie, matryca pracują cały czas.
Aparat zasilany typowym BP511 (NP-400 u Minolty, BLM-1 u Olympusa, te same cele) ma do dyspozycji maksymalnie 7.5W mocy ciągłej i łączny ładunek 8.4Wh. (btw: jeśli aparat zdycha w krócej niż godzinę, to znaczy, że przeciąża accu lub accu jest do rzyci)
Aparat zasilony taką samą baterią dwóch cel NiMH miałby do dyspozycji 17W mocy ciągłej przy 6.2Wh całkowitej pojemności (zakładając, że średni pobór mocy jest dużo mniejszy od tych 17W). To pół prawdy, bo dla LiION wyższa moc rozładowania robi się niebezpieczna, więc kontroler baterii musi odciąć obciązenie przy max. ~10W. Natomiast NiMH wyżyją i przy wielokrotnie większym obciążeniu, byle by było chwilowe, więc de facto możemy np. pociągnąć i 50W coby szybciej klapnąć lustrem lub migawką.

Bajki o doładowywaniu LiION bezkarnie należy odstawić na półkę: cykle ładowań dla LiION są względnie ograniczone, więc doładowując co pięć minut zajedziemy celę bardzo szybko, mimo, iż niemal do końca będzie miała (nie gorszą niż zadana 70%) nominalną pojemność.
Fajnie i tak z tym doładowywaniem, ale LiION wymaga zaawansowanej elektroniki do kontroli ładowania, rozładowania i ogólnego nadzoru stanu ogniwa. Jeśli tę samą złożoność zaaplikować do baterii NiMH dostajemy łądowarkę mikroprocesorową, która co kilka cykli sama rozładuje accu przed ładowaniem na nowo, więc efektu pamięciowego nie uświadczymy, a cela będzie żyła mimo doładowywania - dłużej :D

Więc czemu tak na prawdę LiION?

Przede wszystkim ładowanie i utrzymanie accu na biegu jest tym łatwiejsze, im mniej cel ma. Elektronika cyfrowa lubi na wejściu mieć tak 3.6 - 4.8V. NiMH potrzeba 3 cel. LiION wystarczy jedna. Małe aparaty, telefony itd zyskują na tym, bo jedna cela to jedna warstwa izolacji, prostsza łądowarka, dokładniejsza kontrola ładowania. Małe aparaty są powolne, oszczędne z mocami, więc nie ma problemu, że LiION nie dają się przeciążać, że przy -10 stopniach mają 50% pojemności (aparat i tak nie ziębnie niżej zera, bo się go w kieszeni nosi), a niska efektywna żywotność nikomu nie przeszkadza, bo małe kompakty są eksploatowane łagodnie, więc te 500 cykli to pod dwa lata używania, a za dwa lata ten aparat będzie przestarzały.

Natomiast jak weźmiemy takiego 1DMKII z jego 8 klatek na sekundę, w tym samym czasie ostrzącego szkło 800mm, zasilającego IS szkła, poganiającego Microdrive i procesor, któy jest w stanie ten strumień danych obrobić, to mamy sytuację, że w spoczynku aparat ciągnie zerozeronic, a jak naciskamy spust, to nagle elektrownia dostaje po dupie. 1D-MKII ma accu 12V, czyli 10 cel NiMH. Załóżmy, że to te same cele formatu A. W wykonaniu NiMH może na piętnastopniowym mrozie (np. bateria wyciągnięta z bagażnika samochodu) dostać jak potrzebuje prawie 90W ciągłej mocy, w krókotrwałym szczycie prawdopodobnie nawet do ćwierć kilowata bez ryzyka uszkodzenia akumulatora. Gdyby go popędzić na baterii LiION nie dostałby nawet połowy ciągłej mocy, zapomnijmy o mrozie i o przeciążeniu powyżej ~60W. Przy tym żywotność akku NiMH jest w takiej eksploatacji większa, bardzej przewidywalna (ostrzeżenie o końcu zycia może realnie przyjść odpowiednio wcześniej, a nie pięć cykli przed dwunastą akurat jak reporter siedzi w okopach w Afganistanie).

IMO to jest przyczyna zapakowania NiMH w 1DMKII i LiION we wszyskto poniżej o mniejszym apetycie na moce...
komentarze
..
..