Voltcraft Charge Manager 410 és NiZn akkumulátorok

6

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.

Kapacitás és energiatároló képesség NiMH és NiZn akkuknál
Kapacitás Tárolt energia
NiMH 2000 mAh 2400 mWh
NiMH 2400 mAh 2880 mWh
NiMH 2700 mAh 3240 mWh
NiZn 562,5 mAh 900 mWh
NiZn 750 mAh 1200 mWh
NiZn 1250 mAh 2000 mWh
NiZn 1562,5 mAh 2500 mWh

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.