Egenskaper NiCd och NiMH-cellen

Gemensamma egenskaper och skillnader

Egenskaper hos NiCd-cellen

NiCd-cellen har beroende på sina elektriska egenskaper varit det dominerande laddningsbara batteriet för strömförsörjning av bärbar och stationär utrustning för de mest skiftande applikationer och användningsområden.

Nickel kadmium (NiCd) är ett väl utvecklat kemiskt system med flertal tekniska fördelar.

  • Enastående belastningsegenskaper
  • Goda lågtemperaturegenskaper
  • Klarar kontinuerlig laddning i hög omgivningstemperatur

Mot NiCd-cellens positiva tekniska egenskaper står dess negativa miljöegenskaper. NiCd innehåller den miljöfarliga tungmetallen kadmium.

Egenskaper hos NiMH-cellen
NiMH-cellens främsta fördelar är dess höga energitäthet samt att celltypen är miljöanpassad. NiMH-cellen innehåller ej farliga tungmetaller.

Den första generationen av NiMH-celler som introducerades på marknaden under början av 1990-talet hade ett flertal nackdelar jämfört med NiCd-cellen.

NiMH-cellen hade inte samma förmåga som NiCd-cellen att klara snabbladdning och ej heller lämpliga för användning i ”High Drain-applications.

Spänning vid urladdning

Eftersom NiCd- och NiMH-cellen har samma nominella spänning: 1,2 Volt samt har många gemensamma egenskaper har det varit möjligt att använda NiMH-systemet i många typiska NiCd-applikationer.

Minneseffekt
Den s.k. minneseffekten är omdebatterad.

Många påstår att NiMH-batterier saknar detta detta fenomen, men det stämmer ej i praktiken. Både NiCd och NiMH-batterier har en inbyggd minneseffekt, dock ej så markant uttalad hos NiMH-systemet.

Fenomenet kan förklaras med att om ett batteri upprepade gånger överladdas och samtidigt ej helt urladdas (ner till 1 Volt/cell) kan batteriet bygga upp en s.k. kallad minneseffekt, vilket gör att kapaciteten minskar.

Detta kan oftast avhjälpas genom att cykla batteriet några gånger, dvs upprepade fullständiga laddningar och urladdningar.

Även nya batterier och batterier som har lagrats en längre tid bör cyklas för att uppnå högsta kapacitet och lång livslängd.

Elektriska egenskaper NiCd och NiMH-cellen

Rated Capacity C5 Ah (Amperetimmar)
Definieras som den energimängd cellen kan lämna under en 5 timmars urladdning efter det cellen laddats, lagrats, urladdats under specifika förhållanden.

Laddnings- / Urladdning-strömmar baseras på Rated Capacity
Laddnings och urladdningsströmmar är uttryckta som multipplar av It A.

där It A = C5 Ah/1 h

Standardladdning

Temperatur: +20°C ± 5 °C
Laddningsström: Konstant ström:0,1 It A under 16 timmar
Vid Rated Capacity 2000 mAh Laddningsström: 0,1 x 2000= 200 mA

Standardladdning är m.a.o. definierad som en laddning med en konstant ström 0,1 It A under 16 timmar. (0,1C) Cellspänningen kommer att öka under hela laddningscykeln för att uppgå till 1,45-1,5V när cellen är fulladdad.

Standard urladdning (Efter det cellen laddats enligt ovan)

Temperatur: +20°C ± 5 °C
Urladdningsström: Konstant ström:0,2 It A till 1,0 V slutspänning
Vid Rated Capacity 2000 mAh Urladdningsström: 0,2 x 2000= 400 mA

Cykel

En komplett laddning följt av en urladdning kallas en cykel
Rätt använd kan en NiMH-cell, cyklas från flera 100 gånger upp till 1000 gånger.

Laddning: 0,1 It A under 16 timmar Vila 1-4 tim Urladdning: 0,2 It A till 1,0 V slutspänning

Laddningsfaktor
I exemplet ovan finner vi att vid en standardladdning tillförs batteriet en energi motsvarande: 3200 mAh (0,1 x 2000 mA x 16 tim) och den tillgängliga energin vi tar ut ur cellen är 2000 mAh (0,2 x 2000 mA x 5 tim).

Vi behöver med andra ord tillföra mer energi än vad vi kan ta ut ur cellen, en faktor:1,6 ( 3200 / 2000 = 1.6) Detta förhållande kallas för Laddningsfaktor OBS! Detta gäller enbart vid standardladdning. Vid snabbladdning får cellerna ej överladdas till denna nivå.

Snabbladdning

Laddningskurvan är starkt temperaturberoende
Cellerna har en förmåga att snabbt ta laddning vid låga temperaturer. Vid höga temperaturer är spänningskurvan mycket flack.

Vid laddning av en NiCd / NiMH-cell stiger cellspänningen.
Vid standardladdning stiger spänningen mjukt och vid snabbladdning blir spänningskurvan i förhållande till kortare laddningstid allt brantare.

Celltemperaturen stiger vid ökande cellspänning med resultatet att gastrycket i cellen blir förhöjd.

För att undvika överladdning med gasning som följd måste laddningen kontrolleras.

Laddningsövervakning

Laddningskurvan för NiMH och NiCd-celler skiljer sig markant, i synnerhet vid snabbladdning. Celltemperaturen hos NiMH-cellen, till skillnad från NiCd-cellen, ökar mycket snabbt under laddning. Vidare sjunker spänningen (-?V) vid fulladdning mer markant hos NiCd-cellen jämfört med NiMH-cellen.

Dessa parametrar måste noggrant övervakas under laddningsfasen. I annat fall finns risk för att cellen förstörs.

Negative Delta Voltage (-?V)
Den vanligaste metoden för laddningsövervakning är:Negative Delta Voltage (-?V) När cellen är fulladdad sjunker spänningen över batteriet och när ett spänningsfallet mellan U1 och U2 uppgår till 10 mV/cell för NiCd och 5 mV/cell för NiMH avbryts laddningen.

NiCd

NiMH

Delta Temperatur / tid (?T/?t)
En annan vanlig övervakningsmetod är att laddningen avbryts när temperaturökningen T1 / T2 i relation till tiden t1 / t2 uppn&ari
ng;r ett visst förbestämt värde, normalt 0.5 – 1°C/minut.

Peak Voltage Detection (PVT)
Denna metod bygger på att känna av när batteriet nått sin toppspänning U1.

Absolut temperaturövervakning (TCO)
Laddning avbryts när batteriets når en förutbestämd temperatur vilken normalt är definierad som +45°C. TCO-övervakning används allmänt som en extra backup metod.

Timer
Vid snabbladdning av NiMH-batterier rekommenderas att alltid använda minst två av de tillgängliga säkerhetssystemen eftersom NiMH är mer känslig för överladdning än NiCd.

Ett vanligt komplement är övervakning med timer.

Underhållsladdning
Efter det cellen färdigladdats är det vanligt att fulladdningsfasen kompletteras med en underhållsladdning Trickle Charge: 0,03C – 0,05C.

Denna laddningsmetod används bl.a. i nödljusbelysning. Det innebär att batteriet kontinuerligt laddas för att kunna lämna spänning vid ett spänningsbortfall.