Voltcraft Charge Manager 410 és NiZn akkumulátorok

Akkuelmélet

A probléma

Fórumokban időről-időre felbukkannak olyan problémáról beszámoló fényképezőgép tulajdonosok, akik az iránt érdeklődnek, hogy mi baja lehet a gépüknek, amiért túl hamar kikapcsol, vadonat új akkumulátorok használata esetén is.
Tipikus probléma ez a két AA elemes készülékeknél, ahol a kis feszültség miatt nagy áramerősségre van szükség. Képzeljünk csak el egy olyan fényképezőgépet, amely 5 Watt fogyasztású. Négy AA elem esetén a 6V-os kapocsfeszültségnek köszönhetően e fogyasztáshoz 0,8A áramerősség tartozik. Ha a ceruzaelemeket kicseréljük NiMH akkumulátorokra, melyek feszültsége cellánként 1,2V (terhelve), akkor a négy akku összességében csupán 4,8V feszültséget ad le. Ez önmagában még nem okoz problémát, hiszen a gép többnyire úgyis átalakítja a forrás feszültséget, a fogyasztás azonban nem változhat, így a kisebb feszültséghez szükségszerűen nagyobb áramfelvétel, esetünkben kicsivel több, mint 1 Amper tartozik. Ha az akku elhasználódott, s nem képes leadni kellően nagy áramot, a belső ellenállása megnő, így a kapocsfeszültség akár 1V alá is csökkenhet. Ez esetben pedig a fényképezőgép úgy érzékelheti, hogy lemerült az elemünk.

Sokkal rosszabb a helyzet a 2 elemes modelleknél, hiszen ekkor NiMH akkukkal mindössze 2,4V elvi kapocsfeszültségünk van, amelyhez már közel 2,1 Amperes áramerősség adja az 5W teljesítményt. Bár a NiMH akkumulátorok a kisütés folyamán sokkal egyenletesebben képesek nagy áramot leadni, mint az alkáli elemek (melyek merülés során folyamatosan csökkenő áramleadó képességgel rendelkeznek), a nagyobb kívánt áramerősség miatt a NiMH 2 cellás alkalmazásban nagyobb igénybevételt jelent az akkuknak. A nagyobb áramerősség a NiMH akkumulátoroknál növekvő belső ellenállást jelentenek, ami csökkenti a kapocsfeszültségüket. Magyarul míg egy gyenge töltöttségi állapotban lévő cella 200 mA-es kisütő árammal 1,2-1,3V feszültségű lehet, 2 Ampernél ez az érték 1,1V, míg 4 Ampernél csupán 0,9-1V.

NiMH akkuk kisütés közbeni feszültsége
forrás: ni-cd.net

Látható, hogy nagy áramfelvételnél a kapocsfeszültség jelentősen csökken, ebből adódóan a nagyobb áramigényű két akkus kialakításnál hamarabb következik be a lekapcsolás triggerszintjének beállított minimum feszültségszint, mint ha négy akkus lenne a gépünk.

Érdekességképpen jegyezzük meg, hogy ellentétes oldalon is okozhatnak problémát a NiMH akkuk. Ha nagyon alacsony a fogyasztásunk, akkor az önkisülésben rejtőzik meg az ördög. Ilyen esetben az idő előrehaladtával akkor is csökken a kapocsfeszültség, ha maga az eszköz nem generál fogyasztást. A NiMH akkuk egyik jellegzetessége ugyanis az önkisülés, azaz a cellán belüli töltésvándorlás.
Erre megoldás lehet a hibrid akkuk (pl. Sanyo Eneloop, Panasonic Infinium, stb.) alkalmazása, de ha a készülék egyébként is érzékeny a kis kapocsfeszültségre, akkor ez is csak részleges megoldást ad.

Mi a megoldás?

Mi lehet a megoldás ezekre a problémákra? Ha volna lehetőségünk az akkumulátor cellák számának növelésére, az egycsapásra megoldhatná a gondunkat. Ilyet azonban létező készülékeknél nem igazán tehetünk, így marad az egyik legkézenfekvőbb megoldás, hogy több pótakkut tartunk készenlétben/ hordunk magunknál, ami nyilván csak részlegesen orvosolja a problémánkat.
A másik megoldás lehetne, hogy áttérünk tartós elemre, ezt azonban az elveim miatt egyáltalán nem javasolnám és ajánlanám.
Harmadik és egyben legjobb lehetőség, ha nikkel-cink akkumulátort alkalmazunk.

A NiZn akkumulátor

Talán meglepő, de igazából nem újonnan feltalált lehetőségről van szó. A NiZn újratölthető elemeket még Thomas Edison szabadalmaztatta 1901-ben. Az elterjedését azonban technológiai akadályok gátolták, melyek főként a cink elektróda gyors elhasználódásában jelentkeztek. A modern technológia azonban lehetővé tette a cink megóvását, így a NiZn akkumulátorok ma már reális alternatívái az alkáli elemeknek, hiszen akár 500× újratölthetőek.

A különféle anyagokból készített akkumulátoroknál megfigyelhető, hogy a kapocsfeszültségük eltérő. Ahogyan a lítium-ion akkumulátor tipikusan 3,6V cellafeszültségű, úgy egy nikkel-kadmium vagy nikkel-metálhidrid akku csupán 1,2V-os. Ahhoz, hogy sikeresen cserélhessünk le egy alkáli áramforrást, a kapocsfeszültségnek közel kell állnia az alapértelmezett elem feszültségéhez. Ezért lehetséges normál ceruzaelemeket helyettesíteni NiMH akkuval, illetve ezért van Li-ion akkumulátorból csak CR-V3, vagyis 3V-os elemet helyettesítő modell.
A NiZn akkumulátor kapocsfeszültségét tekintve magasabb értéket képvisel, mint a NiMH. Az alapvető felépítése nagyjából hasonló a NiMH-éhez képest, így a NiMH akkuk tulajdonságai a NiZn akkukra is érvényesek. Vagyis itt is hasonló a töltési-kisütési karakterisztika, viszonylag egyenletes a kisütőáram a töltöttség függvényében, ugyanakkor a kisütőáramtól függő a kapocsfeszültség, s ez a függés nem lineáris.

NiZn akkuk kisütés közbeni feszültsége
forrás: candlepowerforums.com

Amit viszont feltétlenül látnunk kell, hogy a hasonló kisütési karakterisztika ellenére a magasabb kapocsfeszültség miatt (üresjárati feszültség: 1,8V, terhelés alatt 1,6V) a kisütés végén is bőven 1,5V környékén járunk, még akkor is, ha 0,7A-es áramerősségünk van.

mAh, mWh

A kapacitást, vagy más néven töltéstároló képességet a NiCd és NiMH akkuknál kivétel nélkül az amperóra (Ah), vagy ennek ezred részét jelző milliamperóra (mAh) mértékegységgel adják meg. Ezzel szemben a NiZn akkuknál a milliwattóra mértékegységgel találkozunk. Kicsit talán félrevezetőnek tűnhet, s a NiZn-nél megadott érték nagyobbnak is látszódhat, mint a NiMH mAh értéke. Ez azonban nem ok nélkül történt így.

Az amperóra azt fejezi ki, hogy az akkumulátor adott áramerősség mellett hány óráig képes áramot leadni. Ez a mértékegység a gépkocsi akkumulátoroknál is alkalmazott, így a konyhanyelvbe jobban beépült. Mindazonáltal nagyon fontos értenünk, hogy egy 40 Ah-s autóakkumulátor messze nem ugyanaz, mint 20 darab 2000 mAh-s NiMH akku. Az amperóra ugyanis csak arról ad információt, hogy adott áramerősséggel mennyi idő alatt süthető ki az akku, arról azonban nem, hogy eközben mekkora teljesítmény vehető ki az akksiból. 1 Ah esetén 1 Amper kisütő áram 1 óra alatt süti ki az akkut, 0,5A (avagy 500mA) 2 óra alatt, 0,1A (avagy 100mA) 10 óra alatt, stb. A hasznos teljesítmény azonban nem csak az áramerősségtől, hanem a feszültségtől is függ (ezért magasabb a két ceruzaakkus fényképezőgépek áramfeltétele, hiszen a feszültség viszont alacsonyabb).

Némely Li-ion akkumulátornál (főleg a notebook-okénál) nem csak a kapacitást, de az energiatároló képességet is feltüntetik. Ennek mértékegysége a wattóra (Wh), illetve ezred része a milliwattóra (mWh). Az amperóra és a wattóra között igen könnyű az általános jellegű átszámítás, hiszen csupán a kapocsfeszültséggel kell szorozni az amperóra értéket, s máris megkapjuk a wattórában mért energiát (a valóságban a kapocsfeszültség változása miatt nem ennyire egyszerű a helyzet).

Egy 2000 mAh kapacitású NiMH akkumulátor például 2Ah×1,2V=2,4 Wh energiatároló képességű.
Ha NiZn akkura is az lenne feltüntetve, hogy 2000 mAh, az egyszerű, fizikához nem értő ember joggal hihetné azt, hogy ugyanannyi ideig működik majd vele a készüléke, mint az ugyanilyen értékű NiMH akkuval. A valóság azonban nem ez. A működés során ugyanis nem azonos áramot veszünk ki a két akkuból, mivel a két féle akkumulátor eltérő kapocsfeszültségű. A 2000 mAh-s NiZn akkuból ugyanis az 1,6V-os feszültsége miatt 2Ah×1,6V=3,2Wh energia nyerhető ki. Itt egyébként még nem tart a technológia, jelenleg AA méretű NiZn akkuból 2,5 Wh, AAA méretűből 0,9 Wh energiatároló képességű termék létezik.

Nem véletlen hát, hogy a NiZn akkuknál a mAh helyett a mWh-t tüntetik fel. Ha nagyon szeretnénk ezt az értéket mAh-ba átváltani, akkor csak 1,6-tal kell osztanunk, de igazából sokkal közelebb járunk a valósághoz, ha inkább a NiMH akkuk kapacitás értékét szorozzuk fel 1,2-vel, s az energiatároló képességet hasonlítjuk össze.

Mint látható, a 2700 mAh-s NiMH akkumulátorokkal energiatárolásban még nem tudja felvenni a versenyt a NiZn akku, de ne felejtsük el, hogy a kiinduló problémánknál a NiMH 1,2V-os feszültsége miatt nem is tudtunk az akkuból ennyit kiszedni.
A gyakorlatban tehát hiába kevesebb a tárolt energia a NiZn-ben, ha NiMH-del nem tudjuk kihasználni az akkut, akkor máris jobbak vagyunk.
Ezen túlmenően pedig a NiZn a nagyobb feszültségének, de jó zárlati áramának köszönhetően nagyobb energialöketeket képes kipréselnie magából, ami például vakutöltéskor igazán hasznos lehet. De erről majd a következő oldalon.