Давно известно, что не все йогурты батарейки одинаково полезны. Также ни для кого не является секретом, что щелочные (или, как их еще называют, алкалиновые) батарейки обладают лучшими характеристиками, чем солевые. Но насколько именно они хороши? В отличие от аккумуляторов, емкость которых в ампер-часах или ватт-часах указывается на упаковке, батарейки довольствуются расплывчатыми эпитетами типа "Super", "Turbo", "Plus", "РАБОТАЮТ ДО Х РАЗ ДОЛЬШЕ" и прочими, на которые не скупятся производители. В результате у покупателя может сложиться впечатление, что щелочные батарейки по своим характеристикам превосходят все другие источники питания аналогичного форм-фактора, в том числе и аккумуляторы. Но так ли это на самом деле?
Для выяснения реальных возможностей батареек я собрал небольшую экспериментальную установку, состоящую из популярного китайского зарядного устройства IMAX B6, подключенного через USB-адаптер к микрокомпьютеру Raspberry Pi.
Пользуясь режимом разряда постоянным током (200 мА) до конечного напряжения 0.8В, я протестировал несколько популярных щелочных батареек типоразмера AA ("пальчиковых"). Подключенная к зарядному устройству "малинка" записывала в лог-файл напряжение на батарее в процессе ее разряда. Помимо этого, такой же тест прошли пара никель-металл-гидридных аккумуляторов того же типоразмера (Sanyo Eneloop 1800mAh и Varta Ready2Use 2100 mAh). По полученным данным были построены графики кривых разряда, а также произведена оценка емкости протестированных элементов питания.
Итак, сначала кривые разряда:
Результаты для меня оказались несколько неожиданными - хвалёные алкалиновые батарейки не такие уж и емкие, как их описывают производители! Даже несмотря на то, что напряжение на них сразу после начала разряда выше, чем на аккумуляторах (1.6...1.75В против 1.3...1.45В), под нагрузкой через некоторое время это различие нивелируется за счет того, что кривые разряда аккумуляторов имеют достаточно продолжительное плато, в пределах которого напряжение на них изменяется незначительно. Батарейки, напротив, такого плато практически не имеют, напряжение на них снижается в первом приближении линейно до уровня примерно 1В, после чего кривая разряда круто идет вниз.
Для получения оценки отданной в процессе разряда энергии (в джоулях), было произведен подсчет охватываемых кривыми разряда площадей на плоскости напряжение-время с последующим умножением на ток разряда. В результате получилась следующая табличка:
Элемент | Энергия, Дж | Емкость, мА·ч |
---|---|---|
Panasonic Alkaline | 6046.96 | 1442 |
Panasonic Everyday | 6830.7 | 1637 |
Energizer Plus | 7328.21 | 1798 |
Duracell Turbomax | 7395.7 | 1773 |
Sanyo Eneloop | 7513.83 | 1743 |
Panasonic Pro | 7703.3 | 1853 |
Energizer Maximum | 8310.02 | 2001 |
Varta Ready2Use | 8310.19 | 2000 |
В таблицу также добавлена измеренная зарядным устройством емкость (в мА·ч) для каждого из протестированных элементов питания.
Итак, из приведенных выше графика и таблицы можно сделать следующие выводы:
- Реальная емкость щелочных элементов не так уж и велика. Сравнимой с Ni-MH аккумуляторами емкостью обладают лишь самые дорогие батарейки.
- Большая емкость в мА·ч необязательно означает большую запасаемую энергию (сравните результаты батарейки Duracell Turbomax и аккумулятора Sanyo Eneloop).
- Батарейки имеет смысл использовать в устройствах с малым потреблением (например, пультах дистанционного управления, часах), где использование аккумуляторов экономически неоправданно, или в устройствах с расширенным температурным диапазоном (например, внешних датчиках метеостанций), так как в таких условиях аккумуляторы обладают повышенным саморазрядом.
Немного о методике сбора и обработки экспериментальных данных
Логгирование поступающих с зарядного устройства данных производилось модифицированным perl-скриптом от Niobos. USB-порт был настроен в режим 9600 8N1 командой stty
:
$ stty -F /dev/ttyUSB0 cs8 -cstopb -ixon raw speed 9600
Лог в текстовом виде сохранялся командой
$ b6_decode.pl < /dev/ttyUSB0 | tee out.txt
После окончания процесса разряда .txt-файлы преобразовывались в .dat-файлы с форматом, пригодном для построения графиков с помощью утилиты gnuplot. Оценка отданной при разряде элементами энергии производилась скриптом estimate_energy.sh
.
Желающие поэкспериментировать самостоятельно могут скачать вышеупомянутые скрипты тут.
Комментарии
ВНЕЗАПНО хорошая статья. Давно подобных не видел. Спасибо, автор.
Очень информативная и полезная статья. Спасибо автору!
Очень добротный эксперимент. Спасибо!
Я хоть и не блондинка, но гуманитарий до мозга костей. Но мне все понятно! Спасибо огромное. Именно это интерсовало, а то все начинают от печки, а тут четко и по делу с полной доказательной выкладкой.
I wonder how did you reach the conclusion about alkaline batteries as being better suited for low consumption devices. Granted, this is quite true, however this fact can certainly not be based upon the experiment described in your article. Have you examined the capacities of various types of batteries under various types of load? Obviously not. Second,the calculation of the integral of the voltage discharge curve will not give you the charge capacity. Why would it? Total nonsense. I suggest to You a more careful approach in publishing experiments and the conclusions that may follow. Programming and hardware inter-phasing is a very excellent skill to have,but basic theory on a scientific level is equally important to master. Or at least to manage.
Emery Polan thank you for your comment, these moments definitely need a better explanation. Alcaline batteries are more suitable for low consumption devices because of high self-discharge rate of most Ni-MH batteries (low self-discharge Ni-MH batteries are out of scope of this article). And you're right, the calculation of the integral of the voltage discharge curve by itself doesn't make any sense, but the integral of the voltage multiplied by discharge current does. Since the discharge current is constant, it can be separated from the integrand and instead multiplied by the integral of the voltage discharge curve. You could check out full set of sсripts used for capacity calculations for additional information.
-Yes, I saw that the second part of that sentence relating to the total energy is correct, and I also immediately saw the reason for that as being equal to the power curve time integral when the constant current is brought back as a multiplier within the integrand. I commented on the total charge formula being correct as well, but under an "anonymous" entry. But all this is very basic, really. -There is a little more to why alkaline batteries perform better with low consumption, and it is not the low self discharge rate. These batteries simply have a highly variable capacity under different loads. Most AA alkalines will easily surpass the 3000 mah mark in low consumption applications, while can only muster 1/3 of that at the 1 or 2 ampere drain rate. If even that. So, even super low self discharge Nimh batteries will perform poorly when compared to alkalines in low drain applications. I think that in an article such as this one has to be a little more careful with the clarity of conclusions reached and the logic of making inferences from the experiment alone. Otherwise, what is the point of going into the detail of the entire setup and obtaining the data. Not to be critical, really just want to be constructive...