tirsdag 17. februar 2015

NiMH-batterier

Moderne NiMH-batterier

Det sylindriske AA-batteriet er fremdeles det mestselgende batteriet i verden. Det er imponerende når vi vet at formfaktoren ble lansert for nesten 70 år siden i 1947. Mens for eksempel dykke- og videolamper til undervannsbruk i stor grad har migrert til lithium-polymer baserte batteriteknologier, så bruker undervannsblitzer fremdeles de klassiske AA-batteriene som strømkilde. Dette gjelder for eksempel de populære blitzer fra Inon og Sea & Sea.

Inon Z-240 undervannsblitz bruker fire AA-batterier som strømkilde.

Oppladbare AA-batterier

Selv om den fysiske størrelsen har vært uforandret i snart 70 år har det skjedd en kontinuerlig evolusjon når det gjelder batterikjemien på innsiden av cellene. Alkaliske batterier er blitt dominerende på markedet for engangsbatterier og forskjellige typer oppladbare batterier har blitt lansert. Frem til 1990-tallet var det oppladbare nikkel kadmium (NiCd) baserte batterier som var nærmest enerådende. Men på midten av 1990-tallet besluttet EU seg for å fase ut bruken siden kadmium er et giftig tungmetall. En annen uheldig egenskap med NiCd-batterier er den såkalte hukommelseseffekten. Dersom batteriene bare klattlades uten å tømmes helt for strøm ved regelmessige intervaller vil cellene etterhvert begynne å holde igjen på strømmen når utladningen har kommet ned på det nivåer der den forige oppladingen startet.


Hedigvis hadde man klart å utvikle en ny type oppladbar batterikjemi der kamiumet ble erstattet av hydrogen bundet i fast form til et metalisk materiale. Den nye typen oppladbart batteri kom for første gang på markedet i 1989 og fikk betegnelsen NiMH (nikkel metal hydrid). NiMH-baserte batterier er ikke utsatt for hukommelseseffekten og batterikjemien er i tillegg i stand til å lagre to-til-tre ganger så mye energi som et tilsvarende NiCd-batteri. Et problem gjenstod imidertid hvis vi sammenliknet NiMH-batterier med tradisjonelle alkaliske engangsbatterier. Både NiCd og NiMH-batteriene har en stor grad av selvutladning. Hvis du lagret er nyladet NiMH-batteri vil du miste ca 20 prosent av ladningen etter bare en månede og etter ti til tolv måneder så vil batteriet være helt tomt for strøm.

Et nyladet NiMH-batteri mister ca 20 prosent av effekten etter å ha vært lagret i 28 dager i romtemperatur.
I praksis betyr det at du alltid må lade opp et tradisjonelt oppladbart batteri før du tar det i bruk. Dette er i sterk kontrast til et moderne alkalisk engansbatteri som gjerne får påstemplet en best før dato som ligger 10 år etter produksjonsdatoen. Og selv da er det bare ubetydelig forringet. Du vil kunne ta batteriet i bruk mange år etter "best før"-datoen og fremdeles få levert greit med strøm.

Med de utfasede NiCd-batteriene kunne man forebygge selutladningen ved å la batteriene stå montert i laderen for vedlikeholdsladning med en veldig liten ladestrøm ("trickle charge"). Moderne NiMH-batterier er ikke så glade i kontinuerlig vedlikeholdsladning, men det finnes intelligente ladere som overvåker batteriet etter endt ladning og starter ladingen på nytt når kapasitetten faller under et gitt nivå. Er du en tung batteribruker så får du nok kjapt en rutine på at du setter ganske nyoppladede batterier inn i apparatet før bruk. Ulempen oppstår først hvis du ønsker å bruke oppladbare batterier i et apparat som bruker lite strøm over lang tid, som for eksempel en fjernkontroll. Her vil fort selvutladningen til batteriet overstige utladningen som følge av bruken.

Sanyo eneloop

I 2005 kom en ny type NiMH-batterier på markedet fra Sanyo. En sterke forbedret batterikjemi med renere materialer og forbedrede legeringer hadde redusert batteriets selvutladning betraktelig. Det nye batteriet ble solgt under varemerket eneloop for å signalisere at det var en del av et miljøvennlig kretsløp. I årene som fulgte ble batteriteknologien bak eneloop-batteriene forbedret flere ganger og den siste generasjonen har fått helt revolusjonerende egenskaper sammenliknet med et tradisjonelt NiMH-batteri. Et standard eneloop-batteri beholder hele 90 prosent av ladningen etter 1 år og hele 70 prosent etter fem år, Samtidig skal det tåle hele 2100 ladesykluser. Det står i sterk kontrast til de 500 syklusene som ofte oppgies for tradisjonelle NiMH-batterier.

Sanyo var først på markedet med NiMH-batterier som har lav selvutladning.

Det sies at det ikke finnes noen gratis lunsj og det gjelder også i dette tilfellet. Eneloop-batterienes strålende egenskaper kommer til kort på et område. Kapasiteten er vesentlig lavere enn for et tradisjonelt NiMH-batteri. Kapasiteten oppgies i milliamperetimer (mAh) og måles ved en standardisert utladning ned til 1,0 volt ved en belastning på 500 mA. Et batteri på 2000 mAh vil med andre ord vare i fire timer i en slik kapasitetstest. Da det vil være en hvis grad av variasjon fra det ene batteriet til det andre finnes det to forskjellige metoder å oppgi kapasiteten på. Minimumskapasiteten er det som alle batteriene vil kunne gi, mens "typisk kapasitet" gjelder for de fleste battericellene som er testet, men ikke for alle. Forskjellen på minimums og typisk kapasitet er gjerne en eller to hundre mAh. Skal du sammenlikne batterikapasiteter må du vite hvilken måling det er snakk om. Enkelte produsenter er gladere i å oppgi typisk kapasitet enn andre da det gir et større nummer å trykke på embalasjen.

NiMH-batterier med lav selvutladning beholder mesteparten av kapasiteten selv etter 1 års lagring.
Mens tradisjonelle NiMH-batterier nå kan fåes med en typisk kapasitet på opp til ca 2850 mAh har standard eneloop batterier en typisk kapasitet på 2000 mAh (1900 mAh minimum). For bruk i strømkrevende apparater lanserte Sanyo derfor et eneloop pro-batteri. Her har man gjort andre prioriteringer i batterikjemien slik at kapasiteten har økt til 2450 mAh (minimum), mens antall ladesykluser er redusert til 500 og kapasiteten etter 1 års lagring ligger på 85 prosent.

Panasonic eneloop

Etter at Panasonic kjøpte samtlige aksjer i Sanyo i 2013 ble det besluttet at Sanyo-varemerket skulle utfases for batterier. Fra og med april 2014 kom derfor eneloop-batterier med Panasonic sitt eget varemerke i handelen.

Fujitsu "ready-to-use"

I årene som har gått siden 2005 har flere andre batteriprodusenter lansert sine egne NiMH-batterier med lav selvutladning. Disse er merket med "ready-to-use", "precharged" eller ReCyko. Disse batteriene har som regel egenskaper som liggere nærmere eneloop pro enn det originale eneloop-batteriet. Typiske egenskaper er at de beholder 70 til 85 prosent av ladningen etter tolv måneder og de har som regel en levetid på 500 til 1000 sykluser.

Fujitsu er den egentlige produsenten av Sanyo og Panasonic sine eneloop-batterier.
I 2015 ble det kjent at den japanske produsenten Fujitsu var den egentlige produsenten (OEM-leverandør) av Sanyos og Panasonic sine eneloop-batterier. På grunn av misnøye med Panasonic sin prising av eneloop-batteriene besluttet Fujitsu å markedsføre disse også under sitt eget navn. Fujitsu sine egne "ready-to-use" batterier er i ferd med å komme i detaljhandelen i 2015 og er i enkelte markeder opp til 20 prosent billigere enn Panasonic sine identiske tvillingbrødre.

Lading

Du kan ofte kjøpe NiMH-batterier sammen med en tilpasset batterilader, men det avhenger av laderen og dine behov om det er en god løsning. I en ideell verden ville det være slik at du må tilføre like mye strøm under lading som batteriet leverer under utladning. Da kunne du for eksempel tilført et 2450 mAh batteri en tilsvarende mengde strøm og fått ladet batteriet fult opp.

I virkeligheten er det ikke slik da batteriene har en indre impedans som gjør at de blir varme under lading og det er også andre tap i veien fra elektristete til kjemi og vice versa. NiMH-batterier har en lade/utladningseffektivitet på ca 66 prosent. Det betyr at du må tilføre omtrent 1,5 ganger så mye energi under ladning som du får igjen under utladning. Har batteriet en kapasitet på 2000 mAh må du for eksempel tilføre 3000 mA under lading. Dersom du velger å hurtiglade batteriene (mer om dette under) kan effektivitetsgraden bli enda dårligere.

Dersom vi benevner batterikapasiteten i mAh som C kan vi se på ulike lademetoder for NiMH-batterier.

En standard lading av NiMH-batteriet foregår med en strøm på 0,1C (eller C/10 om du vil) i 15 til 16 timer. Dersom batteriet har en typisk kapasitet på 2450 mAh betyr det at du skal bruke en ladestrøm på rundt 245 mA i 16 timer. En timer kan brukes til å legge inn en ekstra sikkerhet mot overlading. Ulempen med denne metoden er først og fremst at det tar lang tid. Laderen kan heller ikke tilpasse ladingen til batteriets utladningsgrad.

Dersom vi øker ladestrømmen til et sted mellom 0,2C og 1C så kan vi hurtiglade batteriene. For å sikre at batteriene ikke blir overladet må vi bruke en intelligent lader som kan avbryte ladingen når batteriene er fulle. Det mest vanlige er en metode som kalles for neagtiv delta voltage (NDV). Det viser seg at når NiMH-batteriene er fulladet så vil spenningskurven få et lite fall i det øyeblikket batteriet er fulladet. Vi snakker om et mikroskopisk spenningsfall på bare 5 millivolt (mv), men det er tilstrekkelig til å bli detektert av laderen. Det er også mulig å detektere spenningstoppen av ladekurven (delta voltage = 0), men det har ikke vært så vanlig som NDV-metoden til nå. Etter at hovedladingen er avsluttet kan det være en fordel å foreta en vedlikeholdsladning ("trickle charge") med en strøm på bare 0,05C i ytterligere noen timer. Men man kan ikke vedlikeholdslade NiMH-batteriene over lenger tid. Da bør man heller bruke en lader som stopper ladingen når batteriet er fult og som kan detektere når kapasiteten har sunket til et gitt nivå og deretter starte ladingen igjen.

Eksempel på hurtiglading med negativ delta volt deteksjon og overvåkning av temperaturstigning. En sikkerhetstimer vil uansett avbryte ladingen etter en forhåndsbestemt tid.


Ekstra intelligente NiMH-ladere kan dessuten ofte detektere om du lader feil batteritype (som feks om du prøver å lade opp et alkalisk engangsbatteri), om battericellen er ødelagt, om polariteten er feil osv. Er batteriet ladet ut under den anbfalte grensen på 1,0 volt kan noen ladere vedlikeholdslade batteriet til spenningen kommer opp på et normalt nivå før selve hovedladingen begynner.

Det finnes også mer ekstreme hurtigladere som markedsføres som "15 minutters","superraske", "ultrafast", etc. Disse laderne lader batteriet typisk på en strøm som er opp mot 3 til 4 ganger den typiske kapasiteten (3C til 4C). I slike ladere er det viktig at også temperaturen overvåkes slik at ladingen kan avbrytes dersom temperaturen stiger for raskt over et gitt tidsrom (normalt mer enn 0,6 grader per minutt). Det kalles dT/dt. Noen hurtigladere har viftekjøling av batteriene. En sikkerhetstimer brukes normalt også for å hindre overopplading. Det ligger i kortene at batterikapasiteten må sammenliknes med ladestrømmen for å avgjøre om det er snakk om hurtiglading eller ikke. Batterier med stor kapasitet trenger en lader med høy ladestrøm.

En typisk NiMH-batterilader har plass til fire AA-batterier. De enkleste krever at du lader batteriene i par (typisk for billige standardladere med en strøm på 0,1C), men de fleste ladere nå for tiden har individuell lading og overvåkning av hver enkelt batteri. Man skal være oppmerksom på at mange ladere bare har nok strøm til å lade to battericeller på maks strøm og at ladestrømmen synker til under halvparten når alle fire batteriene er under lading.

Noen intelligente ladere lar deg velge ønsket ladestrøm og lademodi (normal, utladning, refresh og test) men det er ikke vanlig. Normalt vil en helautamtisk lader gjøre jobben tilfredsstillende.

Ikke for undervannsbruk! ;-)


Q: Can eneloop be used in underwater lights?

A: Please do not use eneloop and Panasonic Ni-MH batteries in underwater lights or other airtight appliances. Panasonic Ni-MH batteries feature a gas vent that allows the release of hydrogen when the battery is misused. Gas will not be released under normal usage conditions, but hyper-electric discharge or short circuit can cause internal gas pressure to rise and gas to be expelled. This gas contains hydrogen and sealed devices can’t diffuse the gas, so any source of ignition may potentially cause fire.

Oppsummering

Du bør som regel velge et moderne "ready-to-use" NiMH-batteri dersom du ønsker å kjøpe oppladbare AA-batterier i dag. Du må vurdere ønsket kapasitet mot levetiden på batteriet. Hver klar over forskjellen på typisk kapasitet og minimumskapasitet. Når det gjelder ladere bør du vurdere om den skal brukes hjemme eller på reise, hvor mange batterier du ønsker å lade samtidig og om du ønsker en avansert hurtiglader, eller har god tid og kan vente til dagen etterpå. Noen ladere kan i tillegg til nettspenning også drives av 12 volt fra bilen. Det kan være kjekt på en lang dykketur, men som regel er det nok mer praktisk å ha med et ekstra sett med ferdig oppladede batterier.

Varta Ultra Fast batterilader har en ladestrøm på hele 8000 mA for to AA-batterier og 4000 mA for fire AA-batterier. Ladingen styres av NDV, temperatur og sikkerhetstimer. Batteriene kjøles ned med aktiv viftekjøling.
Ansmanns Energy 16 Plus er ikke av de raskeste men lar deg lade hele 12 stk AA-batterier samtidig med en individuell ladestrøm på 1000 mA.
Tradisjonelle NiMH-batterier finnes ennå og har som regel størst kapasitet og kan hurtiglades.
Fujitsus "ready-to-use" 2450 mAh er identiske med Eneloop Pro fra Panasonic.

Varta sine "precharged" NiMH-batterier (beholder 75% av kapasiteten etter 12 mnd).
Panasonic eneloop pro 2450 mAh i blisterpakke med lader.

Sanyo eneloop XX ble til Panasonic eneloop pro som igjen er identiske med Fujitsu "ready-to-use" 2450 mAh,

Ingen kommentarer:

Legg inn en kommentar