Обзор аккумуляторов для ноутбуков

Введение

Требования пользователей к ноутбукам постоянно повышаются. Легкие и компактные портативные компьютеры высокой мощности с большим набором дополнительных возможностей пользуются все большей популярностью. Необходимость улучшения характеристик автономной работы ноутбука также очевидна: его чаще стали использовать в поездках, в отпуске и других местах, где питание от электрической сети не всегда возможно.

За качество автономной работы в ноутбуке отвечает аккумулятор. Совершенствование конструкций источников питания, сутью которого являются обеспечение максимального качества при минимальных размерах, идет на протяжении многих лет. Предельные технические характеристики, которых требуют пользователи, практически нельзя воплотить в одной конструкции батареи. Поэтому на практике некоторыми из преимуществ приходится жертвовать ради поддержания на высоком уровне других параметров.

Сегодня на рынке насчитываются десятки разных видов конструкций аккумуляторов, в которых фирмы-изготовители старались достичь оптимального сочетания характеристик - работоспособность в широком диапазоне температур, малый вес, высокая емкость и т. д. К наиболее применяемым в портативных компьютерах относятся литиево-ионные (Li-Ion) аккумуляторы. Более современные литиево-полимерные (Li-polymer) аккумуляторы пока не запущены в серийное производство (планируется в ближайшее время). Гораздо реже (и, в основном, в старых моделях) используются никелево-кадмиевые (Ni-Cd), никелево-металлогидридные (Ni-MH) батареи.

Разные типы аккумуляторов имеют различную стоимость и отличаются по основным параметрам: количеству циклов перезарядки, максимальному сроку хранения, отдаваемой емкости, размерам, температурному диапазону работы, возможностям ускоренной зарядки и т. д.

Как правило, ведущие фирмы-производители портативных компьютеров сами выпускают аккумуляторы для своей техники. Однако существуют компании, специализирующиеся на этой продукции и производящие аккумуляторы для широкого спектра различной техники. Наиболее известные среди них - SAFT, Sanyo, Panasonic, Varta, Yuasa, General Electric и др.

Общие сведения

Аккумуляторы выполняются как в виде одного элемента, так и нескольких, последовательно включенных и оформленных в одном корпусе элементов - батареи. Некоторые модели аккумуляторов включают в себя электронные элементы управления, обеспечивающие контроль режима заряда и защиту аккумулятора от неправильной эксплуатации.

Ноутбук работает как от внешнего питания, так и от питания встроенной аккумуляторной батареи. Переключение автоматическое. Поэтому, можно не бояться падения напряжения в сети, или смело вынимать вилку из розетки при включенном компьютере.

Как правило, при работе от батареи ноутбук автоматически переходит в энергосберегающий режим, при этом его производительность немного снижается, яркость экрана уменьшается. Энергосберегающий режим можно заменить на обычный.

Для того, чтобы аккумулятор смог отдавать энергию, он должен эту энергию получить (накопить). Зарядка происходит в результате химических реакций внутри аккумулятора, вызванных пропусканием через него электрического тока.

В основном портативные компьютеры поставляются с блоком питания, через который и происходит заряд батареи. Блоки питания отличаются по цене и возможностям, их качество влияет на производительность и срок службы аккумуляторных батарей. Важным моментом для блоков питания является определение окончания заряда, так как более длительный заряд аккумулятора на больших токах и, соответственно, повышение температуры опасны для аккумуляторной батареи. В одних блоках питания определение окончания заряда производится по принципу достижения конкретного абсолютного значения напряжения на аккумуляторной батарее. В других - реализован принцип отсчитывания конкретного времени заряда с помощью таймера, с последующим прекращением подачи зарядного тока на аккумулятор. Сложные блоки питания имеют микроконтроллер, с помощью которого осуществляется более точное обнаружение окончания заряда за счет использования нескольких методов - контролируются напряжение батареи, ток, температура или другие переменные значения. Возможны и другие способы анализа количества заряда.

Продолжительность работы современного ноутбука автономно от питания новой батареи обычно около 3 часов. Продолжительность определяется качеством батареи, режимом работы ноутбука, и параметром ёмкости батареи. В большинстве случаев, время автономной работы, обеспечиваемое одним аккумулятором, недостаточно, и требуются дополнительные аккумуляторы для его продления. Самое простое решение - замена аккумулятора при его истощении, однако такая функция отсутствует у большей части ноутбуков. Универсальное решение - использовать более мощную внешнюю аккумуляторную батарею, которая будет служить источником питания.

Сроки работы аккумулятора зависят от его емкости (выражается в ампер-часах Ah или ватт-часах Wh) - количества энергии, которую батарея может отдать в нагрузку за один час. Для того чтобы аккумулятор дольше сохранял свою максимальную мощность, необходимо выполнять правила эксплуатации, главным образом, условия "заряда-разряда" и температурный режим.

Типы аккумуляторов

Как уже говорилось выше, в настоящее время в портативных компьютерах в том или ином соотношении используются четыре основных типа аккумуляторов. Рассмотрим их особенности более подробно.

Никель - кадмиевые аккумуляторы (Ni-cd)

Эти аккумуляторы сейчас редко используются, в основном, в дешевых ноутбуках или для замены испорченных в старых моделях.

Преимущества:

• низкая стоимость;
• высокая устойчивость к перепадам температур;
• хорошая устойчивость к большим токам заряда и разряда, т.к. малое внутреннее сопротивление позволяет отдавать большие токи (другие типы аккумуляторов это не устраивает);
• большое количество циклов "заряда-разряда".

Недостатки:

• наличие "эффекта памяти"
• данный тип аккумулятора не является экологически чистым, так как кадмий является высокотоксичным веществом; также появляются дополнительные проблемы с его переработкой;
• сравнительно низкая удельная емкость, хотя и не во всех случаях это является критичным.

Стоит отметить, что "эффект памяти" присущ всем никелевым батареям и заключается в обратимой потере ёмкости, вызванной укрупнением кристаллических образований активного вещества аккумулятора, и тем самым уменьшением площади активной поверхности его рабочего вещества. Внешнее проявление эффекта заключается в уменьшении реальной емкости аккумулятора в процессе эксплуатации. "Эффект памяти" появляется, когда аккумулятор подзаряжается, не успев до конца разрядиться. Для того чтобы восстановить нормальную емкость, необходимо провести несколько полных циклов "заряда-разряда". Эта особенность никелевых аккумуляторов определяет и условия хранения: только в разряженном состоянии.

Никелево - металлогидридные аккумуляторы (Ni-MH)

Аккумуляторы этого типа более распространены, чем Ni-Cd, но используются, как правило, в устаревших или бюджетных моделях ноутбуков.

Преимущества и недостатки у Ni-MH аккумуляторов, в основном, те же, что и у Ni-Cd. Среди отличительных (от Ni-Cd) особенностей можно отметить:

• большую удельную емкость (при тех же габаритных размерах значение емкости на 30% больше);
• меньший вес;
• меньшую склонность к "эффекту памяти";
• меньшую токсичность.

Ni-MH аккумулятор обладает и недостатками по сравнению с Ni-Cd аккумулятором:

• гораздо меньшее количество циклов "заряда-разряда";
• более высокая цена;
• температурный режим работы меньше;
• по сравнению с Ni-Cd и Li-Ion аккумуляторами, у Ni-MH аккумулятора самая низкая нагрузочная способность - не может отдавать большие токи;
• этот тип аккумуляторов "боится" глубоких разрядов, так как долговечность батареи непосредственно связана с глубиной разряда (следовательно, его неудобно использовать: с одной стороны - "эффект памяти" и необходимость разряда, с другой - вред полного разряда);
• саморазряд выше примерно в 1.5 раза;
• Ni-MH не любит большого зарядного тока
• в зарядном устройстве требуется более сложный алгоритм для обнаружения полного заряда, чем для Ni-Cd аккумулятора, современная Ni-MH батарея оборудована внутренним считывателем температуры, чтобы помочь обнаружению полного заряда. Перезаряд аккумулятора может привести к его перегреву и полному разрушению.

Литиево - ионные (Li-ion)

Практически все современные модели ноутбуков содержат аккумуляторы данного типа. Не сильно отличаясь по цене от аккумуляторов на основе никеля, они имеют ряд неоспоримых преимуществ, делающих их лидерами по автономному питанию портативных компьютеров на настоящий день.

Главное преимущество литиево-ионных аккумуляторов заключается в высокой удельной емкости: она выше, чем у никелевых аккумуляторов порой в несколько раз! Литий - очень легкий металл, имеет самый большой электрохимический потенциал и обеспечивает самое большое содержание энергии.

Среди прочих достоинств можно выделить:

• низкий саморазряд;
• полное отсутствие "эффекта памяти" (благодаря чему время от времени его можно дозаряжать, что является неоспоримым преимуществом при активном использовании ноутбука);
• большое количество циклов "заряда-разряда" (практически такое же, как у Ni-MH батарей).

Среди основных недостатков отметим:

• малый диапазон рабочих температур;
• ограниченный срок службы.

В конструкции современных литиево-ионных аккумуляторов присутствуют так называемые smart-микросхемы, которые позволяют управлять зарядным устройством таким образом, чтобы процесс зарядки был наиболее эффективным (условия заряда зависят от отработанных циклов "заряда- разряда").

Литиево - полимерные аккумуляторы (Li-polymer)

Первоначальная концепция батареи литий-полимера основана на использовании твердого электролита на полимерной основе. Эта идея предусматривает технологичность в производстве, и, соответственно, низкую цену. Аккумуляторы этого типа появились сравнительно недавно. В ноутбуках они пока не используются, зато в более мелкие мобильные устройства (телефоны, КПК) их начали устанавливать уже относительно давно. Правда, для устранения некоторых технологических недоработок в используемые в настоящее время Li-polymer аккумуляторы добавляют некоторое количество гелеобразного электролита для повышения электропроводности. Также Li-polymer аккумуляторы используются в качестве резервных источников питания в жарком климате.

Если идею с использованием твердого электролита удастся доработать, то размеры аккумулятора можно будет довести до 1 мм (толщина), а благодаря тому, что данная конструкция реализуется набором различных пленок, то можно получать очень гибкие конструктивные формы.

Обобщение

Чтобы обобщить информацию о типах аккумуляторов и их особенностях, приведем некоторые рекомендации по их выбору.

Здесь сразу стоит отметить, что в ноутбук с одним типом аккумулятора нельзя вставить аккумулятор другого типа. Поэтому при покупке портативного компьютера имеет смысл сразу обратить внимание, какой в нем стоит аккумулятор.

Получается, что выбор типа батареи в некотором смысле ограничен предложением самих ноутбуков, так как приобретать придется оборудование в комплекте с аккумулятором и зарядным устройством. В некотором смысле, такая ограниченность выбора содержит и положительные моменты: фирма-производитель корректирует свою технологию изготовления аккумуляторов под режимы работы оборудования, которое она производит.

Как уже говорилось выше, в современных ноутбуках преимущественно используются никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH) и литий-ионные (Li- ion) аккумуляторы. Их сравнительные характеристики (по энергетической плотности, внутреннему сопротивлению, саморазряду и количеству циклов "заряда-разряда") приведены в таблице 1. Стоит отметить, что данные, приведенные в таблице, получены при лабораторных испытаниях, т.е. все показатели несколько идеализированы. При повседневной эксплуатации присутствуют экстремальные условия и неправильное обращение, которые не могут быть достаточно точно смоделированы в лаборатории.

Здесь также стоит отметить ряд причин, по которым данные вышеприведенной таблицы могут рассматриваться лишь как индикативные. Так энергетическая плотность аккумулятора зависит от емкости элемента и числа элементов в аккумуляторе, соединенных последовательно, соответственно, ее показатель может варьироваться внутри типа. Саморазряд аккумулятора сильно зависит от температуры (увеличивается с ее повышением). Первые сутки саморазряд максимален, а затем уменьшается. Наибольшее количество циклов "заряда-разряда" зависит от условий эксплуатации и обслуживания. Отказ от периодического полного разряда может привести к уменьшению количества циклов "заряда-разряда". Также стоит учитывать, что аккумуляторы подвержены старению, значит, с течением времени их свойства меняются.

Однако даже такие индикативные оценки позволяют сделать некоторые выводы. Так, по количеству циклов "заряда-разряда", NiCd - наиболее выносливый аккумулятор. Также очевидно, что NiMH аккумуляторы не могут обеспечить длительный срок эксплуатации ноутбука (иногда выбор таких аккумуляторов определят наиболее низкая стоимость среди рассмотренных). Li-ion аккумулятор обладает наименьшим саморазрядом и наилучшими энергосберегающими характеристиками, однако, он подвержен старению, даже если не эксплуатируется. Поэтому не рекомендуется хранить Li-ion аккумуляторы в течение длительного времени. Став непригодным к эксплуатации, Li-ion аккумулятор не может быть восстановлен с использованием циклов "заряда-разряда".

Получается, что если рассматривать аккумуляторы с точки зрения емкости, то лидером станет NiMH аккумулятор. Но, выигрывая в емкости, он проигрывает в сроке службы, особенно, если не обслуживается должным образом. Также NiMH аккумуляторы (как и NiCd) подвержены воздействию "эффекта памяти". Кристаллические образования, которые вызывают потерю емкости, порождаются никелевыми пластинами, которые присутствуют в обоих типах. Но "эффект памяти" в NiMH аккумуляторах как правило не обнаруживается из-за их более короткого срока эксплуатации по сравнению с NiCd. "Эффект памяти" может быть устранен путем полного разряда никелевых аккумуляторов раз в месяц или раз в два месяца.

Li-ion аккумулятор, помимо прочих преимуществ, обладает низкой стоимостью обслуживания, не требует периодического разряда, так как не подвержен "эффекту памяти". Однако следует обратить внимание на то, что Li-ion постепенно теряет способность заряжаться вследствие процесса старения. По этой причине Li-ion аккумуляторы не имеет смысла приобретать в запас на длительный период времени.

Итак, рассмотренные типы аккумуляторов обладают своими достоинствами и недостатками. В зависимости от условий эксплуатации, можно выбрать тот или иной тип аккумулятора, и он обеспечит наибольший срок службы. Условия выбора в зависимости от условий эксплуатации рассмотрены в таблице 2.

 Таблица 2. Условия выбора аккумулятора в зависимости от условий эксплуатации.

 

Новые разработки

Помимо еще не вышедших в серийное производство литиево-полимерных аккумуляторов, заявлено еще несколько разработок, которые могут оказаться весьма полезными для улучшения характеристик автономной работы ноутбуков.

Отметим некоторые из них.

Одним из перспективных источников энергии для портативных компьютеров являются топливные элементы. Энергия в топливном элементе генерируется за счет электрохимической реакции водорода и кислорода. Топливные элементы не нуждаются в подзарядке от сети, вместо этого их нужно заправлять топливом. В топливных элементах для портативной техники в качестве заправки чаще всего используется раствор метанола, который при разложении выделяет водород, необходимый для работы топливного элемента.

Топливные элементы обладают целым рядом преимуществ: они экологичны, могут накапливать в несколько раз больше энергии, чем аккумуляторы, время работы ноутбука на них может достигать 8 часов, при этом есть возможность заправки во время работы и т.д. Главным недостатком топливных элементов является их относительно большой объем, ведь в каждом из них должны быть размещены насосы, сепараторы и испарительные камеры! По мнению специалистов Intel, в массовой продаже топливные элементы появятся не ранее 2006 года, а плотность обеспечиваемой ими энергии не будет увеличиваться более чем на 5-10% за год. То есть, если сейчас самые емкие аккумуляторы обеспечивают потребление до 550 Wh/L, то к 2006 году их емкость достигнет в лучшем случае 800 Wh/L. Тем не менее, этого будет недостаточно для обеспечения закладываемой в стандарт 8-часовой автономной работы.

Еще одной заменой традиционному аккумулятору может стать новый двигатель внутреннего сгорания. Его планируемый размер равен размеру кубика сахара, а вес - менее 1 грамма. Микродвигатель работает по принципу газовой турбины, приводимой в движение потоком горячих газов из камеры сгорания. Он способен вырабатывать мощность 20 Ватт при скорости вращения ротора двигателя 2,4 млн. оборотов в минуту и при этом вырабатывать в десять раз больше электроэнергии, чем лучшие литиевые батарейки. Предполагается, что батарейка для ноутбука, сделанная по такой технологии будет размером чуть больше колоды карт, причем двигатель займет около четверти этого объема, остальное можно отвести под топливный бак. Такого запаса топлива хватит на 24 часа работы, после чего нужно лишь просто опять залить горючее в бак.

Разработка пока не может быть пущена в массовое использование в связи с проблемой отвода большого количества тепла, вырабатывающегося двигателем. Когда проблему удастся решить, новое устройство первоначально может использоваться в качестве переносного зарядного устройства для обычных аккумуляторов, позволяющего перезаряжать их даже в полевых условиях.

Более близкой перспективой является массовое появление универсальных зарядных устройств для любой мобильной техники от любого источника питания. С помощью него можно зарядить ноутбук и мобильный телефон от стандартной сетевой розетки, автомобильного аккумулятора, источника питания на лодках или в самолетах.

В настоящее время на рынке предлагается нескольких моделей таких устройств. Например, Juice 70 , который уже сейчас можно купить по цене порядка 120 у.е. На ближайший месяц планируется выход VEGAVOLT, который позволит заряжать аккумуляторы практически всех мобильных телефонов, представленных на мировом рынке, а, также, карманных компьютеров, видео- и фотокамер, игровых приставок, некоторых ноутбуков. Его выход анонсируется в ближайший месяц.

Объединяя в себе функциональность различных устройств питания и совместимость с источниками постоянного и переменного токов, такие зарядные устройства помогут избавиться от необходимости иметь при себе большой набор зарядных устройств для всей техники, что, несомненно, оценят путешественники.

Продолжая тему универсальных блоков питания, хочется отметить, что сейчас довольно распространены универсальные блоки питания к ноутбукам, которые полезны тем, кто использует сразу несколько моделей, в которых стоят различные аккумуляторы. Такие устройства недороги, их средняя цена примерно 60 у.е.

Гораздо менее известным является зарядное устройство на основе солнечных батарей. Оно достаточно долго (даже летом за 3-5 дней) заряжает аккумуляторы, но вполне может быть использовано в полевых условиях. Цена такого устройства - порядка 70 у.е.

Довольно востребованной, но пока не сильно распространенной, является универсальная внешняя батарея для портативных компьютеров. В настоящее время такие батареи способны обеспечить до 10 часов автономной работы ноутбука. Подключается такая батарея вместо блока питания. Благодаря набору переходников, она подходит к большинству моделей портативных компьютеров. Так как энергопотребление ноутбуков сильно различается, в зависимости от моделей, время работы у каждого конкретного компьютера будет свое. Наиболее полно преимущества внешней батареи раскрываются при работе с тонкими (slim) ноутбуками, так как они имеют наименьшее энергопотребление среди ноутбуков. Стоимость таких батарей - порядка 400 у.е.

В заключении отметим еще одну полезную новинку, выпуск которой планируется на середину 2005 года. Это технология, которая позволит определять уровень заряда аккумулятора с точностью 1%. Предполагается, что батарея будет содержать двухчиповую систему, постоянно считывающую показания об оставшейся энергии посредством специального алгоритма расчета импеданса, температуры и использования аккумулятора.

Цены

Приведем ориентировочную стоимость аккумуляторов и блоков питания. А также цены на восстановление батарей.

Стоимость новой аккумуляторной батареи на основе никеля обычно менее 100 у.е. Наиболее часто используемые и продающиеся литиевые аккумуляторы стоят, в зависимости от характеристик, 80-200 у.е. Большинство моделей продаются по цене порядка 150 у.е.

Цена Li-Ion с батареей повышенной емкости обычно превышает 200 у.е. Если такой аккумулятор предлагается по меньшей цене, то скорее всего он восстановленный.

При выходе аккумулятора из строя перед пользователем становится проблема выбора: купить новый аккумулятор, б/у или восстановить старый. О том, сколько стоит новая батарея сказано выше. Цена б/у аккумулятора (Li-Ion) - примерно 40-50 у.е., т.е. в 2-3 раза ниже.

При восстановлении аккумулятора необходимо менять все его элементы, иначе срок его службы будет недолгим. Стоимость восстановления обычно складывается из стоимости работы и стоимости новых элементов. Минимальная цена работы по восстановлению одного аккумулятора - 25 у.е. Стоимость нового элемента литиевых батарей - 4-6 у.е., никелевых - от 2.5 у.е. Таким образом, цена восстановленной батареи может составлять от 40 до 100 у.е. Обычно около 80 у.е.

Если ноутбук планируется продолжать использовать долгое время, специалисты советуют покупать новые батареи. При разнице цены в 2 раза, срок их службы в несколько раз больше. Менее предпочтительным является восстановление батареи. Самым "неудачным" вариантом признается покупка б/у аккумулятора.

Блоки питания для ноутбуков различаются по цене в зависимости от характеристик и марки компьютера. Средняя стоимость - 100 у.е. Универсальный блок питания, в комплекте с которым продается несколько вариантов разъемов питания для различных моделей ноутбуков, стоит на 10-20 у.е. дороже. Минимальная стоимость блока питания - 40 у.е. Максимальная - немного дороже 200 у.е.

Автомобильные адаптеры питания предлагаются большинством продавцов по цене 60- 150 у.е. Есть модели и по цене от 30 у.е.

Резюме

В настоящее время в портативных компьютерах используются, в основном 3 типа аккумуляторов, различающихся по своему химическому составу, - это никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлгидридные (NiMH) и литий-ионные (Li- ion) аккумуляторы. Каждый из них имеет свои достоинства, но ни один не позволяет полностью удовлетворить все запросы пользователей, а лишь подходит для определенной модели использования. Наблюдается тенденция отхода от старых технологий. Так NiCd аккумуляторы фактически утратили свою популярность, как из-за своих рабочих характеристик, так и по причине отрицательной рекламы, присущего им "эффекта памяти" и относительно вредного их содержимого в случае утилизации. NiMH аккумуляторы, которые при выходе на рынок анонсировались как аккумуляторы отличного качества, на деле оказались недолговечными и неудобными в использовании из-за сильного "эффекта памяти".

Таким образом, в настоящее время наиболее часто используемыми и наиболее удовлетворяющими интересы большинства пользователей являются Li-ion аккумуляторы. Единственным их недостатком является неуправляемое старение, даже если ноутбук не используется. Новые литиевые полимерные системы в своем развитии пока не преодолели недостатки Li-ion аккумуляторов. Ограниченное количество циклов заряда / разряда и высокое внутреннее сопротивление - главные их недостатки.

Разработки в области улучшения характеристик автономной работы ноутбуков ведутся постоянно. Появляются новые устройства для повышения эффективности работы в случаях, когда невозможно подключиться к сети (дополнительные автономные блоки питания, и зарядные устройства, универсальные аккумуляторы большой мощности, адаптеры, позволяющие работать в автомобиле, зарядные устройства, использующие энергию солнца, и т.п. ). Судя по заявлениям разработчиков, многие новые устройства (топливные элементы, спиртовые аккумуляторы, сверхъемкие батареи и т.п.) запустят в серийное производство в 2007-2010 гг.