Minnkun rafrása hefur tekið mjög stór stökk framávið á síðustu áratugum. Sameining íhluta í dvergrásir hefur orðið til þess að nú á dögum er hægt að troða æ fleiri rásum í minna pláss en menn gátu ímyndað sér fyrir 40 til 50 árum. Um 1950 sagðist einn talsmanna rafeindaiðnaðarins sjá fyrir sér að um árið 2000 myndu tölvur vega minna en eitt og hálft tonn. Hann hafði rétt fyrir sér og rúmlega það. Ferðatölvur nútímans hafa möguleika sem ná langt út fyrir það sem tölvur höfðu á hans tímum, en þær fylltu heilu salina og eyddu rafmagni sem hefði nægt nokkrum heimilum.
Í kjölfar minnkunar rafrása hefur myndast stór almenningsmarkaður fyrir ýmis burðarraftæki svo sem farsíma, ferðatölvur, vasatölvur, geisladiskaspilara, handtalstöðvar, GPS tæki og þannig mætti lengi telja. Þróun þessara litlu raftækja hefur svo sífellt kallað á smærri rafhlöður sem jafnframt geymi æ meiri orku.
Framleiðsla neytendatækja, þar sem pláss til orkugeymslu er af skornum skammti, hefur orðið til þess að þróun rafhlaðna hefur tekið stórt stökk síðasta áratug. Ferðatölvur, farsímar og önnur slík fartæki hafa neytt framleiðendur til að finna upp léttar og litlar rafhlöður með miklu geymslurými. Af þessum sökum eru ný rafhlöðuefni eins og t.d. nickel metal hydride (NiMH) og lithium óðum að taka við af þeim gömlu, s.s. nickel cadmium. Í þessu eins og öðru þá fæst ekkert ókeypis og kraftaverkin eru fáséð. Það borgar sig að vita um gallana áður en maður skiptir um hest. Þessi grein er ætluð sem yfirlit yfir nokkrar gerðir af þeim nýju rafhlöðum sem nú fást og einnig að vera samanburður á gamalli og nýrri tækni.
Nickel cadmium NiCd (gamli staðallinn)
Var toppurinn í litlum hleðslurafhlöðum svo árum skipti og hefur enn í dag margt sér til ágætis. Þrátt fyrir að nickel metal hydride rafhlaðan hafi að mestu tekið við þá er NiCd rafhlaðan sú sem hægt er að hlaða/afhlaða oftast og stærri rafhlöður eins og C og D gerðir má hlaða jafnvel oftar en þúsund sinnum. Hún er líka óumdeilanlegur sigurvegari þegar kemur að miklum útgangsstraumi miðað við stærð og er þess vegna ennþá algengasta rafhlaðan í handstöðvum radíóamatöra.
Síðari tíma sjónarmið í umhverfismálum valda því hinsvegar að vandamál er að farga NiCd rafhlöðum. Forskaut rafhlöðunnar er myndað með cadmium málmi. Það er einn eitraðasti málmur sem til er og urðun ónýtra rafhlaðna skapar því meiriháttar vandamál. Með endurbættum eiginleikum NiMH rafhlaðna hefur því orðin tilhneiging til að skipta yfir í þær til að komast hjá cadmium vandamálinu.
Mynd 1. Þversnið af NiMH rafhlöðu.
Fyrir utan katóðuna, sem er búin til úr hydrogen-geymslumálmi í staðin fyrir cadmium, er uppbyggingin svipuð NiCd rafhlöðu
Minni
Hægt er að koma í veg fyrir og ráða bót á þessum minnisáhrifum með fullri afhleðslu og fullri hleðslu annan hvern mánuð eða svo. Athugið að þetta þýðir ekki að afhlaða eigi rafhlöðuna niður í núll þar sem það getur orsakað skautskipti og stytt líftíma hennar verulega.
Nickel metal hydride NiMH (Alvarlegur keppinautur)
Nickel metal hydride rafhlaðan hefur verið í þróun í þó nokkur ár og þar til nýlega hefur hún ekki verið alvarlegur keppinautur við NiCd sem hefur setið á toppnum. Mynd 1 sýnir þversnið af NiMH rafhlöðu. Nýlega hafa gæði NiMH rafhlaðna aukist að því marki að vel er athugandi að nota þær í staðin fyrir NiCd rafhlöður þrátt fyrir að hleðslur/afhleðslur þeirra sé aðeins um einn þriðji miðað við NiCd og innra viðnám sé einnig hærra en NiCd rafhlaðna. Á mynd 2 eru NiCd (til vinstri) og NiMH (til hægri) rafhlöðupakkar en á mynd 3 eru AA rafhlöður til vinstri er eldri NiCd síðan NiCd með meira geymsluþoli og síðast er NiMH rafhlaða.
Mynd 2. Tvær 13,8 V rafhlöður fyrir ICOM IC-2GAT handstöð. Sú til vinstri er gömul NiCd rafhlaða með um 1200 mAh geymslugetu. Sú til hægri er NiMH með um 2700 mAH geymslugetu.
Mynd 3. Þrjár mismundandi gerðir af AA rafhlöðum.
Til vinstri er gömul NiCd rafhlaða með um 600 mAh geymslugetu.
Í miðjunn er nýrri gerð af NiCd rafhlöðu með um 1100 mAh geymslugetu.
Til hægri er NiMH rafhlaða með um 1600 mAh geymslugetu.
ATH að 1300 mAh geymslugeta er ágætis geta fyrir þessa stærð af rafhlöðum en rafhlöður með meiri geymslugetu eru nú þegar fáanlegar.
Kostir
* NiMH rafhlöður hafa u.þ.b. sömu raffræðilega eiginleika og NiCd með einni undantekningu: þær geyma u.þ.b. 30–50% meiri orku hver eining.
* Verð á einingu er samkeppnishæft við NiCd.
* Eru fáanlegar sem stakar rafhlöður eða í tilbúnum rafhlöðupökkum fyrir vinsælar amatörhandstöðvar.
* Hægt að endurhlaða með sömu tækjum og NiCd þannig að ekki er þörf á nýjum hleðslutækjum.
Gallar
* NiMH rafhlöður hafa færri hleðslu/afhleðslu möguleika en NiCd. Meðal líftími er um 500 hleðslur/afhleðslur en eru um 1500 á NiCd. Þetta er ekki mikilvægur munur fyrir flesta amatöra.
* Innra viðnám er u.þ.b. tvöfalt hærra en í NiCd sem þýðir að NiMH getur ekki gefið eins hátt útgangs afl á aflmeiri handstöðvum eins og NiCd.
* Sjálfafhleðsla NiMH er meiri en NiCd, eða um 30% á mánuði miðað við 20% í NiCd.
Gæði NiMH rafhlöðunnar heldur áfram að aukast og verðið að lækka og mun hún því að öllum líkindum leysa NiCd rafhlöðuna af hólmi.
Lithium-ion (Li-ion)
Á síðasta áratug hefur lithium rafhlöðutækni gert slíkar rafhlöður að verðugum keppinaut á ferða- rafhlöðumarkaðnum. Nú þegar eru endurhlaðanlegar lithium rafhlöður komnar í GSM síma þar sem frábær orkugeymslugeta þeirra gefur aukinn tal- og hlust tíma.
Fyrstu lithium rafhlöðurnar sem komu fram voru ekki endurhlaðanlegar. Lithium „hnappa“ rafhlaðan sást fyrst fyrir um 12 árum í rafeindaúrum þar sem hún entist árum saman. Aðalkosturinn er sá að hún hefur geymslugetu sem er u.þ.b. tvöföld geta alkaline rafhlöðu miðað við stærð og fjórum sinnum miðað við þyngd. Óendurhlaðanlegar lithium rafhlöður eru nú til í vinsælum vasaljósstærðum en eru dýrar og ekki auðvelt að ná í þær. Aðalnotkun þeirra er í hlutum eins og lyklakippuljósum, armbandsúrum og sem minnisvaraafl í tölvum og amatörtækjum.
Endurhlaðanlegar lithium rafhlöðueiningar eru orðnar vinsælar í rafhlöðupakka fyrir GSM síma og ferðatölvur. Lítil þyngd og mikil geymslugeta gefur lengri notkunartíma án þess að notandinn þurfi að burðast með þungan rafhlöðupakka. Ýmiskonar tækni hefur verið þróuð í sambandi við endurhlaðanlegar lithium rafhlöður en sú vinsælasta er lithum-ion (Li-ion). Sjá mynd 4.
Nokkur vandamál hafa þó verið samfara endurhlaðanlegum lithiumrafhlöðum. Í hreinni mynd er lithium málmurinn mjög hvarfgjarn og komist hann í minnsta samband við vatn þá myndast vetni sem getur orsakað eld eða sprengingu. Í lithiumrafhlöðum er málmurinn venjulega í saltformi sem ekki er hvarfgjarnt. Ákveðnir rafhlöðuframleiðendur hafa hinsvegar sagt að við ofhleðslu geti lithiummálmur smitað úr saltinu í einingunum inni í rafhlöðupakkanum og hvarfast sem verði til þess að umbúðirnar rofni og þannig geti tækið sem rafhlöðupakkinn er í skemmst. Þess vegna er hleðslu á lithium rafhlöðum venjulega stýrt með rafrásum sem eru gjarnan innbyggðar í rafhlöðupakkann. Þær fylgjast með ástandi rafhlöðunnar og slá út áður en ofhleðsla á sér stað.
Eldri lithium rafhlöður voru með tiltölulega hátt innra viðnám eða um þrefalt hærra en NiCd rafhlöður. Nýlega hefur verið hægt að lækka það með bættri framleiðslutækni og þróun. Þrátt fyrir að viðnámið sé ekki orðið eins lágt og í NiCd er það orðið nægilega lágt fyrir tæki eins og sumar handstöðvar radíóamatöra. Yaesu VX5R er 5W tæki með litla Li-ion rafhlöðu sem staðalbúnað (sjá mynd 5).
Galli er þó að Li-ion rafhlöður hafa ekki mjög langan líftíma jafn vel þótt þær séu ekki notaðar. Einn framleiðandi hefur sagt að þær endist aðeins tvö til þrjú ár eftir framleiðslu. Kostur er hinsvegar að sjálfafhleðsla er mjög lág eða aðeins um 10% á mánuði sem þýðir að þær eru mjög góðar fyrir varatæki.
Mynd 4. Li-ion rafhlaða fyrir ICOM handstöð
Mynd 5. Lítil Li-ion rafhlaða fyrir Yaesu VX-5R handstöð
Þétt blý-sýru rafhlaða Sealed Lead-Acid SLA (Gamla góða)
Þrátt fyrir að endurhlaðanleg þétt blý-sýru (SLA) rafhlaða sé þung og fyrirferðamikil og geymi ekki mikla orku miðað við stærð og þyngd þá hefur hún þann kost að sjálfafhleðsla er mjög lág. Því til viðbótar er hún tiltölulega ódýr og mjög áreiðanleg. Rafhlöðurnar fást gjarnan hjá raftækjasölum. Hægt er að komast yfir rafhlöður, sem skipt hefur verið út úr neyðarlýsingum, og eiga töluverðan líftíma eftir. Einn framleiðandi, Quantum, var með til sölu rafhlöðu, sérstaklega ætlaða fyrir amatörradíó notkun, en þrátt fyrir að þeir hafi hætt sölu þeirrar gerðar þá er fáanleg frá þeim önnur aflmeiri með hleðslumæli og það fylgir hleðslutæki.
Stærri SLA rafhlöður, sem geta keyrt ferðatölvur og bílsendiviðtæki klukkutímum saman, fást gjarnan hjá bílavarahlutasölum og víðar. Þær eru seldar sem neyðar-starttæki fyrir bíla og eru með startköplum og sígarettukveikjaraúttaki. Höfundur þessarar greinar hefur notað slíkt tæki til að nota Kenwood TM-V7A heilan dag í loftinu á skátamótum. Mynd 6 sýnir mismunandi stærðir af gel-eininga blý-sýru rafhlöðum.
Mynd 6. Þessar gel-eininga blý-sýru rafhlöður eru endurhlaðanlegar og leka ekki.
Endurnotanlegar alkaline
Áður en NiCd rafhlöður voru fáanlegar var vinsælt að „endurhlaða“ vasaljósarafhlöður með því að setja inná þær mjög lítinn straum í einn eða tvo daga. Tæki fyrir þessa hleðslu voru seld í verslunum og við vissar aðstæður var hægt að koma einhverju magni af orku inn á tóma rafhlöðu. Þessi orka var þá ekki í neinu samræmi við það sem ný rafhlaða gat gefið og endurtekin hleðsla gat orsakað leka á rafhlöðunni sem síðan skemmdi það tæki sem hún var notuð í.
Markaðsþrýstingur á að boðið væri uppá ódýrari hleðslurafhlöður en NiCd og vegna áhuga á því að gefa neytandum kost á rafhlöðu sem gæfi háa útgangsspennu, eins og alkaline, kom sú hugmynd upp að snúa sér aftur að hleðslutækjum fyrir vasaljósarafhlöður og endurhlaðanleg alkaline rafhlaða varð til.
Endurnotanlegar alkaline rafhlöður þola ekki margar hleðslur/afhleðslur. Tilraunir gerðar á þessum rafhlöðum sýndu að eftir eina afhleðslu/hleðslu þá var geymslugetan dottin niður í um 60 prósent af upprunalegri getu. Reikna má með að aðeins sé hægt að afhlaða/hlaða þær um 10 sinnum miðað við stöðuga notkun og að rafhlaðan sé afhlaðinn að fullu áður en hún er endurhlaðin en oftar sé hún aðeins afhlaðin að hluta áður en endurhleðsla á sér stað.
Innra viðnám endurhlaðanlegrar alkaline rafhlöðu er einnig hærra en venjulegrar alkaline sem takmarkar notkun hennar í tæki sem þurfa mikinn straum. Þetta allt saman kemur í raun í veg fyrir notkun hennar í flest amatörtæki.
Sjálfafhleðsla er hinsvegar mjög lítil eða aðeins um 0,3 prósent á mánuði. Þær eru því góður kostur í neyðarvasaljós og transistorútvörp í heimahúsum þegar rafmagn fer og aðra tækifæris notkun.
Samanburður á endurhlaðanlegum rafhlöðum
Tafla 1 er samanburður á getu vinsælla gerða af endurhlaðanlegum rafhlöðum. Með í þessari upptalningu er vinsæl “gel eining” sem er þétt blý-sýru rafhlaða.
Mynd 7 er línurit sem sýnir getur þeirra til að gefa mikinn útgangsstraum miðað við geymslugetu. Eins og sést að þrátt fyrir að Li-ion hafi mikla geymslugetu þá er ekki hægt að segja það sama um háa afhleðslu eins og í handtalstöðvum við sendingu. Takið eftir að aðeins eru sýndar NiCd, NiMH og Li-ion á línuritinu. Blý-sýru og endurhlaðanlegar alkaline rafhlöður eru sér á báti.
| Tafla 1 | |||||
| Samanburður á rafhlöðugerðum | |||||
Nickel Cadmium |
Nickel Metal Hydride |
Þétt Blý-Sýru (Gel Cell) |
Lithium-ion |
Endurnotanlegar Alkaline |
|
| Orkuhleðsla (vött-tími/kíló) |
40-60 |
60-80 |
37 |
100 |
80 (upphaflega) |
| Hleðslu fjöldi | 1500 |
500 |
200-300 |
500-1000 |
10 |
| Sjálfafhleðsla % per mánuð |
20 |
30 |
5 |
10 |
0,2 |
| Hámarks álgsstraumur | Meira en 2C |
0,5-1C |
0,2C |
Minna en 1C |
0,2C |
Skýringar við töflu.
Orkuhleðsla vött-tími/kíló. Geymd orka miðað við Þyngd. Því hærri sem talan er meiri orka fáanleg.
Hleðslufjöldi. Áætlaður fræðilegur fjöldi hleðslu/afhleðslu sem rafhlaðan getur náð áður en geymslugeta hennar fellur niður fyrir ákveðið mark (u.þ.b. 60%). Margir þættir hafa áhrif á þessa tölu þ.m.t. dýpt afhleðslu, meðal hitastig og f.l.
Sjálfafhleðsla . Magn af geymdri orku sem tapast per mánuð miðað við að rafhlaðan sé ekki notuð.
Hámarks álagsstraumur. Magn afhleðslustraums sem rafhlaðan getur látið í té án þess að voltin falli vegna hita. Þessi tala segir til um innra viðnám rafhlöðunnar. ATH. C er amper-tími rafhlöðunnar gefin upp af framleiðanda miðað við 10 tíma afhleðslu hraða.
Skynsamlegt val
Handstöðvar
Fyrsta skrefið er að ákveða hvað sé mikilvægt fyrir þig. Viltu létta rafhlöðu með mikið afl, sem skiptir ekki máli hvað kostar og ert tilbúinn til að fórna aðeins í endingu? Eða kannski að þú sért á norðlægum slóðum þar sem þú þarft rafhlöðu sem heldur áfram að pumpa út vöttum þó að hitinn sé kominn niður fyrir 0 gráður? Kannski þarftu rafhlöðu sem hefur þann eiginleika að geta verið til reiðu í marga mánuði og að hægt sé að grípa hana og hlaupa. Eða hvernig væri með rafhlöðu sem væri góð málamiðlun? Skoðum nú möguleikana.
Ef þú ert áhugasamur göngu- hjólreiða- eða útivistarmaður mundir þú vilja eitthvað sem væri létt og fyrirferðarlítið án þess að gefa eftir í afköstum. Li-ion er það sem þú munt vilja. Li-ion er með mesta geymslugetu af öllum gerðum og er létt og fyrirferðarlítil. Reiknaðu með að þurfa að greiða hærra verð fyrir nýja rafhlöðu þegar þú þarft að skipta og líftíminn er styttri. Lithium er einnig besti kosturinn fyrir neyðarafl þar sem sjálfafhleðsla er lítil og þess vegna er meira afl eftir, þegar á þarf að halda, þrátt fyrir að langur tími sé liðin frá hleðslu.
NiCd er best í kulda og hefur einnig lægsta innra viðnámið. Hún gefur flest RF vött í mestum kulda. Verðið er tiltölulega lágt, afhleðslur/hleðslur eru flestar og endingin er best af öllum gerðum, sem þýðir að þetta er rafhlaða sem stendur lengst með þér.
Mynd 7. Línuritið sýnir geymslu- prósentu á móti afhleðslustraumi
Varaafl í sjakkinn
Foringinn hér er ennþá blý-sýru rafgeymirinn. Hvort sem þú kýst gamaldags rafgeymi með töppum ofaná eða þétta geleininga gerð er hleðsla og viðhald svipað. Ef rafgeymirinn á að vera innandyra þá er þétta gel gerðin besti kosturinn vegna hreinlætis og lágmarksútöndunar og velti hann á hliðina þá er enginn hætta á sýruleka. Hinsvegar má reikna með því hann sé dýrari. Ef sjakkurinn er í kjallaranum eða bílskúrnum þá er athugandi að nota geyma eins og gjarnan eru notaðir í bátum, húsbílum eða golfbílum. Þeir eru ódýrari en þéttar gerðir og venjulega auðveldara að ná í þá (sjá mynd 8). Hvora gerðina sem þú velur gerðu þá ekki þau mistök að nota ódýrustu gerð af bílhleðslutæki. Gakktu úr skugga um að hleðslutækið sé helst sjálfvirkt og hafi gjarnan tvo til þrjá hleðslumöguleika eins og hraðhleðslu, takmarkaðan straum og fljótandi (þ.e. slái inn og út eftir hleðsluástandi rafgeymisins).
Mynd 8. Þessa gerð af djúpafhleðslu rafgeymi er hægt að hlaða/afhlaða hundruð skipta.
Hvernig nærðu mestri endingu út úr rafhlöðunni þinni
NiCd og NiMH
Fyrst, munið eftir að báðar þessar gerðir hafa tilhneigingu til að tapa orku fljótt við geymslu. NiCd þarf að endurhlaða á um tveggja mánaða fresti og NiMH á um eins til eins og hálfsmánaðar fresti ef þær eiga að vera tilbúnar til notkunar. Hinsvegar er með þessi „orkuver“, eins og vöðva mannslíkamans, að þau þurfa notkun til að viðhalda getu sinni. Ef þú notar handstöðina þína mikið t.d. daglega eða annan hvern dag þá fær rafhlaðan alla þá notkun sem hún þarf en ef stöðin liggur ónotuð uppí hillu þá verður rafhlaðan slöpp og veikburða. Ef þetta er tilfellið taktu þá handstöðina svona einu sinni í mánuði og notaðu hana í einn til tvo daga og endurhladdu hana síðan vel. Þetta virkar eins og vítamínskot á rafhlöðuna. Hinsvegar skaltu ekki leyfa rafhlöðunni að afhlaðast alveg. Ef það er gert þýðir það að ein eða fleiri einingar munu afhlaðast fyrst og fara síðan í neikvætt hleðsluástand. Komi það fyrir getur einingin gefið frá sér gas frá niðurbroti rafvökva sem kemst útí andrúmsloftið. Einingin er getuminni á eftir og verður líklegri til að komast í neikvætt hleðsluástand aftur. Sem þumalfingurreglu má nota að láta rafhlöðu aldrei afhlaðast að því marki að „rafhlaða lág“ merkið komi því það merkir að ein eða fleiri einingar hafi þegar orðið fyrir neikvæðu hleðsluástandi.
Þéttir blý-sýrugeymar. (SLA)
(Sulphation = harðir og stórir brennisteinskristallar sem myndast í plötum rafgeymis eftir að geymirinn hefur staðið ónotaður og afhlaðist. Þegar þetta gerist getur verið erfitt að hlaða geyminn. Þó getur verið mögulegt að bjarga honum með því að hlaða hann og afhlaða mörgum sinnum).
Li-ion
Ég vona að þessi grein gefi smá innsýn í litla orkupakkann sem þú heldur á eða er á gólfinu í sjakknum. Ef þú ferð eftir þessum leiðbeiningum um viðhald og hleðslu þá munu ferðtækin þín vera tilbúinn til notkunar með augnbliks fyrirvara.
Þessi grein sem skrifuð er af Ken Stuart, W3VVN birtist í QST í desember 2001.
Birt með leyfi ARRL.
Greinin er þýdd af TF3VS
Til baka efst á síðu