Анализ и сравнение характеристик аккумуляторов основных типов.

Этот обзор задумывался ещё осенью 2009, но в силу не зависящих от меня обстоятельств (мировой кризис, болезни, другие проекты, хорошая погода, уборка в комнате, банальная лень и т.д) написание всё время откладывалось и поэтому некоторые данные слегка устарели, но не потеряли своей актуальности. Тем более, что это сравнительный обзор в котором важны не абсолютные значения, а их разница.

В интернете полно информации по тем или иным типам аккумуляторов, но по большей части это кричаще-вопящее маркетинговое словоблудие, очень отдалённо напоминающее действительность. Один из самых нормальных (на мой непрофессиональный взгляд) это battery.newlist.ru, но он уже давным давно не обновлялся. Ещё меня очень радуют две статьи Олега Артамонова на сайте Ф-Центр: Тестирование батареек формата АА и Тестирование Ni-MH аккумуляторов формата AA. Человек серьёзно подошёл к этому исследованию, разработал стенд и методику, и сделал подробное и грамотное описание. И хотя с момента тестирований прошло 3-4 года, статьи актуальны, так как эти батарейки и аккумуляторы до сих пор продаются в магазинах.
В первом тестировании автор поднял, на мой взгляд, очень важный вопрос, а именно: почему ёмкость батарей и аккумуляторов производители указывают в Ампер-часах, хотя правильнее её указывать в Ватт-часах? Ведь даже внутри одной группы батарей (аккумуляторов), внутреннее сопротивление элементов настолько разниться, что те "банки" которые лидировали по Ампер-часам из-за большого внутренного сопротивления (а следовательно и более низкого напряжения), проигрывали не таким "ёмким" своим собратьям по фактически отдаваемой энергии, измеряемой в Ватт-часах. Ведь любое электронное устройство потребляет не Ампер-часы, а Ватт-часы или Ампер-часы умноженные на среднее напряжение на аккумуляторе при его разряде, то есть при получении этих самых Ампер-часов. А уж если сравнивать аккумуляторы разных типов, то тут Ампер-часы вообще не имеют никакого смысла, ведь 1А*ч литий-йонного аккумулятора по фактически отдаваемой энергии равен примерно 3А*ч NiMH аккумулятора. По сути ситуация как и с цифровыми фотоаппаратами - производитель в рекламе (и на корпусе аппарата) пишет заоблачные числа количества пикселей и кратности зума, а для качества фотографии важнее всего это размер матрицы и светосила объектива. В результате у большинства конечных пользователей недоуменее, почему фотографии старой 3-мегапиксельной зеркали лучше, чем современного 12-мегапиксельного, 18-кратного супер девайса? Вобщем мысль, я думаю, понятна - чтобы не быть обманутыми лохами, надо думать головой, а не тупо сравнивать два числа, указанных крупными цифрами на коробке или корпусе изделия.
Будучи велотуристом я задумался об универсальном источнике энергии для походов. А для этого мне надо определиться с типом аккумуляторов: какой лучше, легче, надёжнее, более ёмкий и т.д. Главная характеристика для меня как для туриста - это ёмкость, как понимаете в Ватт-часах. По сути если рассматривать аккумулятор как ёмкость для энергии, то Ватт-часы (или Джоули, 1Вт*ч  = 3,6кДж) это единицы измерения его объёма (как литры для банок и кастрюль). И так же как и банки с кастрюлями могут быть и из лёгкого и тонкого пластика, и из тяжёлого и толстого чугуна, так среди аккумуляторов есть большие по размерам и тяжёлые, с небольшой ёмкостью, и маленькие и лёгкие с большой ёмкостью. Так как городить стенд для тестирования, а потом покупать разные виды аккумуляторов для тестирования долго и весьма накладно, я решил обойтись "малой кровью". Многие производители выкладывают на свою продукцию так называемые Data sheet-ы, в которых печатаются (ну или должны печататься) основные характеристики изделия, графики, характеризующие определённые параметры работы и др. Вот эти графики я и задумал использовать для анализа ситуации. Конечно я полностью осознаю, что в некоторых случаях эти графики несколько условны и искуственны, и созданы больше для рекламы нежели отразить реальные характеристики, но так как другого выхода нет, пойдём этим путём. А сравнение нескольких однотипных аккумуляторов от разных производителей покажет примерное положение истины, которая, как правило, где-то посередине.
Подробно описывать методику получения данных из графиков не буду. В двух словах: график из pdf-файла сохраняется в jpeg-изображение, дальше эти графики оцифровываются с помощью программы GetData Graph Digitizer. Эта программа выдаёт координаты точек кривых графика и сохраняет их в формате MS Excel. После этого идёт математическая обработка полученых данных в OriginPro. Думаю и в Excel-е можно сделать, но Origin заточен под работу с графиками и работать с ним в этом плане легче.  Все Data sheet-ы, использованные для сбора данных, можно скачать архивом из каталога файлов.
Первым делом надо получить данные о ёмкости в Ватт-часах. Так как это внесистемная мера работы электрического тока, то я буду обозначать ёмкость в Ватт-часах литерой "А". Обозначаемая на аккумуляторах "ёмкость" в Ампер-часах ни что иное как количество электричества и обозначается оно литерой "Q". Между ними есть определённое соотношение:

A  - работа электрического тока, измеряется в Джоулях (или в нашем случае в Ватт-часах)
Q - количество электричества, измеряется в Ампер-секундах (в нашем случае в Ампер-часах)
U - напряжение, измеряется в Вольтах

Как правило производители в даташитах на свои аккумуляторы включают разрядную кривую. И как правило этих кривых несколько, снятых при разных разрядных токах. Вот эти кривые первыми были обработаны. По оси X на этих графиках либо Ампер-часы, либо время (часы, минуты), а по оси Y - напряжение на аккумуляторе. Нам надо только усреднить значения Y и умножить их либо на Ампер-часы где заканчивается график, либо на время и ток разрядки, что и есть Ампер-часы.
Результаты сведены в таблицы. Для более детального сравнения я расчитал объёмную и удельную ёмкости, грубо говоря это количество Ватт-часов "умещающееся" в одном литре или одном килограмме аккумулятора соответственно. Для туризма, большее значение имеет удельная ёмкость так как это фактически масса тары для энергии, чем больше энергии вмещает килограмм тары, тем лучше для меня. Кроме этого я попытался оценить экономические показатели аккумуляторов исходя из их стоимости и срока службы.

Итак, что же можно сказать, посмотрев на циферки? Из пяти представителей у нас два лидера: Li-ion и LiFePO4 у которых удельная ёмкость перевалила за 100 Вт*ч/кг. Хотя тут тоже не всё чисто, цифры явно завышены. Для Li-ion аккумулятора обычно указывают 140-170 Вт*ч/кг, а для LiFePO4 - 90-110 Вт*ч/кг. Эти данные я встречал на зарубежных интернет-магазинах. Проверить возможности нет поэтому будем считать что даже если они и врут, то врут одинаково для всех видов аккумуляторв.
Двум лидерам дышит в затылок по-моему самый распространённый на сегоднешний день - NiMH аккумулятор. По ёмкости на массу тела он практически в два раза уступает литий-йонному и около 20% проигрывает литий-фосфатнику. Но скидывать со счетов его рано, хотя бы потому, что рынок его сбыта огромен и разнообразен. Металл-гидридники выпускают многие фирмы в различных исполнениях и с разнообразной ёмкостью, на рынке также представлено огромное число зарядных устройств для них. И эти аккумуляторы, в отличие от лития, более неприхотливы к параметрам процесса зарядки. И всё бы ничего, но есть у металл-гидридников одина неприятная особенность - это так называемый "эффект памяти". Иными словами эти аккумуляторы должны эксплуатироваться с полным циклом разряд-заряд, и если его несколько раз подряд недоразрядив до конца зарядить (или наоборот, недозарядив разрядить), то у него резко падает ёмкость. А так как я выбираю походный аккумулятор, то он будет использоваться как накопительный буфер для энергии получаемой из различных источников (генератор, солнечная батарея, элемент Пельтье, зарядное устройство) и данный эффект в таком режиме работы крайне нежелателен. Конечно, "эффект памяти" у металл-гидридных аккумуляторов не такой явный как у никель-кадмия, и в течении похода, я думаю, особой потери ёмкости вы не увидите, но по приезду домой тренировать аккумуляторы всё равно придётся, а это время и "холостые" циклы заряда-разряда, которые быстрее состаривают его. Можно конечно привести ещё и такой минус металл-гидридников как значительный саморазряд, однако он имеет значение только при очень длительных хранениях заряженного аккумулятора. В буферном же режиме аккумулятор будет постоянно разряжаться-подзаряжаться, поэтому потеряться накопленная энергия не успеет.
Использование аккумулятора в режиме буфера энергии в походных условиях предъявляет к нему ещё одно требование - это высокая степень отдачи усвоеной ранее энергии, иными словами КПД аккумулятора. Так как аккумулятор - это ёмкость для энергии, то в идеальном варианте сколько мы Ватт-часов туда "вкачали", столько должны "выкачать" некоторое время спустя. Но в реальности существуют потери за счёт внутреннего сопротивления и различных внутренних переходных процессов. Поэтому я задался вопросом: какой процент от полученной энергии отдаст тот или иной тип аккумуляторов? Никель-кадмиевые и свинцовые аккумуляторы рассматривать не буду в силу их низкой удельной ёмкости, а вот тройку лидеров обсчитаю. Для этого к тем разрядным кривым, что я обработал потребуется обработать ещё и графики зарядки. Причём надо чтобы в даташите были как графики заряда так и разряда. 
Превым делом обработке подверглись литий-йонные аккумуляторы.

Аз - энергия, полученная аккумулятором при его зарядке (ток зарядки 0,5С; 0,6С у GP)
Ар - энергия, отданная аккумулятором при разряде соответствующим током

 Если построить график зависимости КПД от тока разряда, то видно, что точки принадлежащие разным аккумуляторам лежат близко друг к другу и нет каких-то аномально высоких или низких значений. Следовательно этим данным производителей можно верить.

 Более наглядным график становится, если разрядный ток указывать не в относительных единицах хС, а в амперах. Сразу видно, что высокий КПД (выше 90%) имеет место только на низких токах разряда (ниже 0,6 А) и при повышении разрядного тока на каждый ампер, КПД падает на 4-5%. То есть чтобы добиться высокого КПД на большой мощности отдачи надо либо параллелить банки (что не очень хорошо), либо собирать высоковольтную батарею, либо брать банки с большей ёмкостью.

Затем пришла очередь металл-гидридников.

Небольшие пояснения и уточнения по анализу "гидридников". Как известно, для NiCd и NiMH аккумуляторов существует два способа зарядки. Первый, так называемый "медленный заряд" осуществляется стабильным током в 1/10 часть от ёмкости аккумулятора в течении 16 часов. Даже элементарные прикидки в уме выявляют крайнюю неэффективность данного метода. Предполагается что перезаряд таким незначительным током не причиняет вреда внутренней структуре ХИТа. Определить, когда же аккумулятор заряжен, при таких токах невозможно. Точнее сказать возможно, если провести ряд экспериментов по заряду данным током, но с различным временем заряда, а затем последующему разряду аккумуляторов с целью определить количество энергии, полученное при зарядке. Но боюсь эти данные будут "гулять" в рамках разных производственных партий, не говоря уже об аккумуляторах разных производителей. Это неудобно и для производителей аккумуляторов - им надо калибровать каждую партию, и для потребителя - не многие смогут разобраться со всеми нюансами вопроса, и производителям зарядных устройств - им придётся выпускать сложные "зарядки" с возможностью регулировки тока и времени заряда. Это всё в разы увеличит стоимость аккумуляторов, зарядных устройств и отразиться на рынке сбыта. Поэтому был найден компромиссный вариант при котором аккумулятору не наноситься серьёзного вреда в результате перезаряда, конструкция зарядного устройства очень простая, а колоссальный избыток энергии (от 30 до 60% сверх нормы), сообщаемый аккумулятору, в условиях домашнего энергопотребления практически незаметен. Данный вид заряда щелочных аккумуляторов последнее время отходит на второй план, и всё большую популярность приобретают "быстрые зарядки" с токами зарядки более 1/10С и вплоть до 4С. Это, как правило, микропроцессорное устройство, которое отслеживает степень заряда по изменению напряжения на "банке", а некоторые продвинутые контролируют внутреннее сопротивление аккумулятора и его температуру. Именно данный режим заряда я и подверг анализу как более перспективный и простой в расчётах. Справедливости ради стоит отметить, что разрядные кривые для всех проанализированных аккумуляторов были сняты после "медленного заряда". Это указали все производители, а зная страсть любых производителей к большим числам, можно предположить что в таком режиме аккумуляторы показывают максимальную ёмкость. Иными словами данный анализ более приблизителен, чем у Li-ion аккумуляторов. Но если сравнивать энергии "медленного заряда" и разряда, то эксплуатация NiMH аккумуляторов теряет всякий смысл. Более того, если задуматься, то станет ясно, что свехнизкий КПД "медленного заряда" обусловлен не структурой и типом аккумулятора, а несовершенством способа зарядки, тем самым компромиссом, о которм я писал выше.

Для большей наглядности снова построим графики зависимости КПД от тока разряда.

Сразу бросается в глаза провал в точке "0,5С" у GP2,5А*ч. Скорее всего китайцы что-то напутали при вёрстке даташита на этот аккумулятор, поэтому в дальнейшем эту точку можно либо не учитывать, либо просто скорректировать её значение по оси Y, что я и сделал. Не вижу в этом ничего предосудительного, так как во-первых, корректировка произведена с учётом общей тенденции поведения графиков, и во-вторых, важны не абсолютные значения величин, а сравнение полученных результатов анализа. Остальные точки графиков более-менее соответствуют логике происходящего. Диаграмма с абсолютными значениями разрядного тока получилась более информативней. На ней явно проссматривается зависимость КПД от формфактора аккумулятора, говоря проще, от размеров "банки". И чем больше размер аккумулятора, тем кривая зависимости более пологая. Для "лития" этой закономерности мы не наблюдали, так как там анализировались аккумуляторы только типоразмера 18650.

Ну и наконец LiFePO4. Проблема с ними заключается в том, что трудно найти нормальный даташит. Это либо аккумуляторы больших емкостей, для электроскутеров и электромобилей, либо там даны нечетабельные графики. Потому у меня всего один представитель этого семейства, помещённый сюда в основном для сравнения с другими типами аккумуляторов.

 Строить отдельные графики для "фосфатника" бессмыслено, поэтому сразу рассмотрим общую диаграмму по всем типам аккумуляторов. Из NiMH были исключены самые "слабые" чтобы не забивать график излишней информацией. Из графика видно, что на небольших токах разряда все типы аккумуляторов показывают высокие значения КПД. Лидером однозначно является LiFePO4, но на мой взгляд его лидерство обусловлено в большей мере размерами (формфактор 26650 - диаметр 26 мм, высота цилиндра 65 мм). Низкое внутреннее сопротивление данного типа аккумуляторов явно просматривается в небольшом наклоне кривой относительно оси X. Интересно было увидеть (для меня) соотношения между Li-ion и NiMH одинакового размера (красная, лиловая линии и зелёная линия). По сути они находятся на одном уровне, но у NiMH наклон к оси X меньше и на высоких токах отдачи наблюдается небольшое выполаживание. Примечателен тот факт, что у литиевых аккумуляторов эта зависимость практически линейна. Это "заслуга" электролита аккумуляторов, при больших токах он разогревается, его сопротивление падает, а с ним уменьшаются потери, то есть растёт КПД. У "лития" то же есть небольшое выполаживание, но оно не такое явное как у "гидридников".

Какие же можно сделать выводы из данного, с позволения сказать, исследования? Если рассматривать аккумулятор как ёмкость для энергии, то вне конкуренции здесь Li-ion, лёгкие и ёмкие. На втором месте литий-фосфатники, уступающие литий-йонным в удельной ёмкости, но более неприхотливые к процессу зарядки и имеющие значительно больший срок эксплуатации. И именно литиевые аккумуляторы, на мой взгляд, лучше подходят для эксплуатации в походе, так как при большой удельной ёмкости они способны работать в буферном режиме без каких-либо последствий для себя (ну если конечно не разряжать их глубоко). Металл-гидридники в этом плане проигрывают и по удельной ёмкости и из-за "эффекта памяти". Если же рассматривать выбор типа аккумуляторов с позиции их КПД, то здесь принципиальной разницы между тремя "ёмкими" лидерами я не вижу. Да, щелочные ХИТы проигрывают "литию", но разница не существенна и по большей части обусловлена размерами аккумулятора.