Publikovaný článek byl prezentován na 36. ročníku mezinárodní konference Nekonvenční zdroje elektrické energie, která se uskutečnila 13. 5. až 15. 5. 2015 ve Vyškově. Podrobnosti ke konferenci naleznete na www.nzee.cz.
Výrobci dnes již nenabízí pouze jeden typ primárních alkalických článků, ale svoje portfolio rozšiřují o další typy alkalických článků, o kterých tvrdí, že jejich chemická technologie je upravena tak, aby vyhověla právě buď zařízením s velkým odběrem výkonu, např. dětské hračky, a nebo pro malý odběr, např. digitální budíky. Jinak řečeno, měli bychom na trhu koupit primární alkalický článek, který je přizpůsobený různým kategoriím zátěže a jejich charakteristikám.
Výrobce baterií, který byl vybrán k otestování těchto závěrů, rozděluje své baterie do čtyř kategorií. První jsou „ovladače“ (Remote control), druhou „hračky“ (Toys&Gaming), další „svítilny“ (Torch&Bike) a poslední, čtvrtou kategorií pak „myši a klávesnice“ (Mouse&Keyboard). Toto rozdělení se nám zdálo příliš podrobné a tak se naše laboratoř rozhodla provést test jednotlivých kategorií alkalických článků tohoto výrobce.
Podle katalogových informací by měl být každý typ článků jasným favoritem ve své kategorii. To by znamenalo, že alkalické články zaznamenaly svůj další vývoj a drží krok s požadavky doby, nebo se jedná pouze o marketingový tah výrobce a články se neliší.
Experiment
Laboratoř fotovoltaických systémů a elektrochemických zdrojů (LFSEZ) ČVUT FEL Praha zakoupila v běžné obchodní síti jednotlivé typy alkalických článků jednoho výrobce a otestovali jsme, zda se jejich specifické vlastnosti a vylepšená chemická struktura projeví při různých kategoriích zátěže.
Chemické úpravy vlastností
Teoreticky by se měly dle dostupných informací jednotlivé články chemicky lišit. Pro články určené pro vyšší odběrové výkony by měla být přidána přísada, např. TiO2 a BaSO4 a další chem. sloučeniny, které by měly zajistit menší vnitřní odpor. Tyto přísady mají často za další úkol zlepšit vodní hospodářství článku a tvorbu vodíku v článku. Naopak u článku pro malé a dlouhodobé odběry by měla být velmi výrazně potlačena rekrystalizace MnOOH/MnO2. Pokud začne rekrystalizace zmíněných produktů, má to za následek znatelné ztráty napětí článku a zároveň nárůst impedance článku.
Obecně je bez kontaktu s výrobcem velmi komplikované tyto úpravy vysledovat a tak se v textu zaměříme pouze na vlastnosti elektrické. Výrobci ve většině případů použitou technologii tají jako firemní „know how“ a tak je určení el. parametrů jedinou možností, jak články nezávisle hodnotit.
Vybíjecí režim pulzního spínání zátěže článků jsme neprováděli, protože tento test nedokáže prokázat jednoznačné rozdíly mezi jednotlivými typy alkalických článků. Také se v dostupné literatuře uvádí, že pro alkalické články je tento rozdíl získané kapacity minimální.
Dále jsme chtěli nekompromisní test pro jednotlivé typy článků a dosáhnout jejich hraničního výkonu a životnosti. Cílem bylo provést měření tak, aby vyhovělo těm nejnáročnějším podmínkám, s jakými se jednotlivé články mohou setkat. Obecně se s takovouto charakteristikou zátěže články v provozu většinou nesetkají. Konečný zákazník by tak měl být schopen z hlediska využitelné watthodinové kapacity článku dosáhnout i lepších výsledků.
Kritérium pro výpočet kapacit a ukončení testování článku bylo stanoveno na hodnotu 0,8 V. Poté byl test článku ukončen. Hodnota 0,8 V byla zvolena na základě faktu, že většina spotřebičů při napětí 0,8 V na článek již není schopna plnit svoji funkci a také v této napěťové hladině dochází u alkalických článků k prudkému nárůstu vnitřního odporu, který má za následek rychlý pokles napětí na svorkách článku.
Jednotlivé kategorie zátěží pro testování článků byly převzaty z American National Standard Institute (ANSI). Odtud jsme čerpali i pokyny a způsoby jak modelovat jednotlivé kategorie zátěže.
Byly modelovány tyto zátěže: digitální kamera, CD přehrávače, světla, hračky, hodiny. Každý model zátěže má své specifické parametry výkonu, proudu a zatěžovacího odporu.
Modely zatížení
Jednotlivé modely zatížení lze rozdělit do dvou skupin. První skupina jsou modely při vybíjecím režimu konstantního proudu a druhou skupinou jsou modely při vybíjecím režimu konstantním odporu zátěže.
- Model zatížení pro digitální kameru, hračky na dálkové ovládání atd. Tento model je charakterizován odběrem konstantního proudu o velikosti 1 000 mA
- Model pro elektrický zubní kartáček, hračky, přenosné reproduktory. Tento model je specifikován odběrem konstantního proudu o hodnotě 500 mA
- Model zatížení pro CD přehrávače, walkmany. Tady je hodnota odběrového proudu 250 mA
- Model zatížení pro laserové ukazovátko. Dále by tento model zatížení mohl simulovat bezdrátovou myš a klávesnici. Specifikace R = 60 Ω
- Model pro přenosné rádio. Hodnota odporu R = 44 Ω
- Model pro světelné zdroje, přenosné světlo, menší hračky. Velikost odporu R = 5 Ω
- Model pro střední hračky. Specifikace modelu R = 2 Ω
Modely s parametry odporu R = 60 Ω a R = 2 Ω nespadají podle ANSI přímo do kategorie pro články o velikosti AA, ale i tak jsme tyto články otestovali i v těchto modelech, abychom měli dostatek dat pro závěrečné zhodnocení.
Test jednotlivých namodelovaných kategorií zátěží probíhal tak, že se sestavil elektrický obvod pro jednotlivé modely zátěží, vložili jsme jednotlivé typy alkalických článků a zaznamenali příslušné hodnoty veličin.
Měření
Jako první probíhalo měření modelů zátěže za vybíjecího režimu konstantního odporu a to dle parametrů uvedených v předchozím odstavci.
V případě prvního měření byl použit model zátěže s hodnotou R = 2 Ω. Zde by měl dominovat článek s označením Torch&Bike. Výsledky měření ukazují, že se tak nestalo a tuto kategorii ovládá článek Mouse&Keyboard. Torch&Bike se umístil na místě druhém - viz graf CR-2Ω v tabulce výsledků.
Druhý zvolený model zátěže, R = 5 Ω. Zde by měly dominovat články Toys&Gaming a Torch&Bike, ale nestalo se tak. Kategorii sice ovládl článek Torch&Bike, ale článek Mouse&Keyboard skončil těsně druhý. Viz graf CR-5Ω v tabulce výsledků.
Jako předposlední modelovou zátěží byl R = 44 Ω. Zde by měly být favoritem články Toys&Gaming a Remote control. Zde nejlepší výsledek prokázal článek Torch&Bike a Mouse&Keyboard. Viz graf CR-44Ω v tabulce výsledků.
Jako poslední zatěžovací model byl R = 60 Ω. Zde by měl být favoritem článek Mouse&Keyboard. Tento článek sice dosáhl nejlepšího výsledku, ale rozdíl oproti ostatním nebyl příliš markantní. Viz graf CR-60Ω v tabulce výsledků.
Druhá sada testů byla provedena za vybíjecího režimu konstantní proudu. Pro realizaci zátěže konstantním proudem byla zvolena kombinace elektronické zátěže PEL300 a stejnosměrného stabilizovaného zdroje o napětí přibližně 5 V.
Schéma zátěže primárních článků konstantním proudem
Výše uvedené zapojení umožní vybíjet více článků shodným proudem při zajištění zachování tohoto proudu i v případě nestejnoměrných vlastností vybíjeného článku. V případě, že napětí na článku vlivem vybíjení poklesne k nule, dojde následně k přepólování článku a otevření antiparalelně připojené Schottkyho diody, která převezme proud řetězcem článků. Obdobný princip je využíván pro ochranu článků fotovoltaických modulů před přehřátím při lokálním stínění.
Nám se tato metoda osvědčila především z důvodů snadného vybíjení většího množství článků pomocí jedné aparatury. Na uvedeném schématu není znázorněno připojení jednotlivých voltmetrů. Měření napětí jednotlivých článků je v naší laboratoři realizováno 16kanálovou měřicí ústřednou COMET s galvanicky oddělenými vstupy.
První model zátěže byl realizován zátěží s konstantním proudem 1 A. Zde bychom měli očekávat dominanci článků Toys&Gaming a Torch&Bike, tyto články ale skončily až za vítězem, článkem Mouse&Keyboard. Rozdíly mezi články Mouse&Keyboard a Torch&Bike byly velice malé. Viz graf CC-1A v tabulce výsledků.
Další model zátěže byla zátěž za konstantního proudu 500 mA. Zde by měly dominovat články Toys&Gaming a Torch&Bike. Ale i zde nejlépe dopadl opět Mouse&Keyboard. Viz graf CC-0,5A v tabulce výsledků.
Třetí zatěžovací model, konstantní proud 250 mA. Zde by měl dominovat článek Toys&Gaming. Ale i zde dopadla nejlépe Mouse&Keyboard. Viz graf CC-0,25A v tabulce výsledků.
Závěr
Zhodnocením všech naměřených a spočtených dat a grafů dojdeme k závěru, že výrobcem provedené rozdělení alkalických článků do čtyř kategorií zátěže není zcela šťastné řešení. Po vyhodnocení modelových situací lze konstatovat, že jednotlivé články můžeme rozdělit do dvou skupin. První skupina by slučovala typy Mouse&Keyboard a Torch&Bike, druhá pak Remote control a Toys&Gaming.
Toto rozdělení pouze do dvou skupin je prokazatelné hned ze dvou aspektů. Prvním je závislost napětí na čase, viz grafy v tabulce výsledků. Druhým parametrem potvrzujícím existenci pouze dvou skupin je průměrný vnitřní odpor jednotlivých článků, kdy články Mouse&Keyboard a Torch&Bike mají téměř shodné hodnoty - a obdobně také články typu Remote control a Toys&Gaming. Hodnoty vnitřních odporů je možné opět nalézt v tabulce výsledků.
Místo čtyř výrobcem uváděných, kategorií zátěže tak lze navrhnout kategorie dvě a to články pro malé a velké hodnoty odebíraného výkonu.
Velkým překvapením je zde článek Mouse&Keyboard, u kterého bychom předpokládali hodnotu vnitřního odporu obdobnou jako u článku Remote control. K tomuto předpokladu lze dojít z teoretických závěrů z literatury, kdy články s velkým vnitřním odporem jsou vhodnější pro zátěže s malým a dlouhodobým odběrem výkonu a naopak kdy články s malým vnitřním odporem jsou vhodnější pro zátěže s velkým odběrem výkonu. Článek Mouse&Keyboard je ale, dle provedených měření, spíše podobný svými vlastnostmi článku Torch&Bike.
Dále, pokud vezmeme v úvahu, že u článku, kde bychom měli předpokládat velký vnitřní odpor, je naměřen vnitřní odpor malý, vede to k závěru, zda se v případě dělení článků do více skupin nejedná jenom o marketingový tah výrobce. Toto tvrzení však nelze na základě našich měření stoprocentně potvrdit ani vyvrátit. Muselo by být provedeno mnohem více opakujících se testů a potřebovali bychom otestovat i články z různých výrobních dávek, aby se nám naše výsledky statisticky potvrdily či vyvrátily.
Pokud bychom měli zhodnotit vývoj článků, docházíme k závěru, že články stále zaznamenávají drobný vývoj. Jejich výkonnostní charakteristiky se sice neustále zlepšují, ale pro dnešní moderní spotřebiče nejsou bohužel dostatečné. Možná se tedy alkalické články nacházejí již na svém konstrukčním maximu. Spotřebu svých produktů by také měli neustále snižovat i samotní výrobci spotřebičů.
Tomáš Reichl, Pavel Hrzina, České vysoké učení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická, katedra elektrotechnologie
Poděkování
Tato práce byla podporována prostřednictvím Studentské grantové soutěže ČVUT SGS15/075/OHK3/1T/13
Literatura
[1] REDDY, Thomas B a David LINDEN. Linden's handbook of batteries. 4th ed. New York: McGraw-Hill, c2011, 1 v. (various pagings). ISBN 9780071624213.
[2] LINDEN, David a Thomas B REDDY. Handbook of batteries. 3rd ed. New York: McGraw-Hill, 2002, 1 v. (various pagings). ISBN 0071359788.
Komentáře
Zajimavé
Doporučil bych test opakovat na více vzorcích . Mohlo by se ukázat, že rozdělení výrobcem je pouze účelový marketing a rozdíly v naměřených hodnotách vypoví spíše o kolísající kvalitě jednoho a toho samého druhu článku s rozdílným potiskem.