Онлайн-газета ПиRамида

Рынок цифровой электроники развивается едва ли не быстрей любого другого потребительского направления. При этом особенную активность проявляют сотовая телефония и компьютеры. В обоих случаях мы имеем дело с коммуникаторами – устройствами передачи информации, даже принимая в расчет то обстоятельство, что компьютеры изначально предназначались для хранения и обработки данных. Открытие эры Интернета и беспроводного к нему доступа благодаря технологиям Wi-Fi и WiMax вполне позволяет рассматривать те же лэптопы, как средства мобильной связи.

Потенциальный рынок этой техники огромен, и недостатка в желающих его освоить не ощущается. И если объемы памяти устройств и набор сервисных функций фирмы наращивают весьма успешно, то такой важный для потребителя показатель, как компактность – достигается не без труда. Причина – в габаритах элементов питания.
Основной параметр аккумуляторной батареи – ее электрическая емкость, измеряемая в миллиампер-часах (mAh). По этому показателю можно определить, какое время батарея способна отдавать потребителю ток заданной силы, он зачастую напрямую связан с объемом и весом источника питания. В этом смысле со времени изобретения аккумуляторной батареи Гастоном Плантэ в 1860 году мало что изменилось: если рассматривать аккумуляторы одного типа, то емкость заряда больше у того аккумулятора, у которого большая площадь электродов. А видов, несмотря на пестрое разнообразие аккумуляторных батареек на витринах, на самом деле, не так много.
Самый популярный тип аккумуляторов, применяемый в таких устройствах как сотовые телефоны, ноутбуки, карманные компьютеры и видеокамеры - литий-ионный (Li-Ion) аккумулятор, разработанный корпорацией Sony в 1991 году. Его достоинства – высокое отношение емкости заряда к физической массе, он медленно теряет заряд при отсутствии электрической нагрузки. К заметным недостаткам следует отнести короткий жизненный цикл. К тому же семейству относится литий-полимерный (Li-pol) аккумулятор, появившийся на рынке в 1999 году. Характеристики этих двух «братьев» во многом схожи, но не во всем: литий-полимерные аккумуляторы могут принимать любые формы при минимальной толщине элементов в один миллиметр, что позволяет заполнять ими практически любое свободное место в питаемом приборе, поэтому часто используются в тех случаях, когда необходим аккумулятор нестандартной формы. Недостаток - литий-полимерные аккумуляторы работают только в «тепличных» условиях, то есть при положительных температурах, в противном случае моментально «замерзают».
Никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы, применяются с 1950 года в качестве альтернативы стандартным источникам питания. Область применения – радиостанции, радиотелефоны, электроинструменты, медицина, электромобили. В отличие от предыдущего типа источников питания способны поддерживать высокий ток в цепи, обладают низкой стоимостью и большим сроком эксплуатации. Никель-металлогидридные (Ni-MH) аккумуляторы, появившиеся в 1990 году, очень сильно потеснили никель-кадмиевые, так как обладают на 30-40% большей энергетической плотностью и экологически безвредны из-за отсутствия кадмия. Недостатки никельсодержащих аккумуляторов: относительно большие габариты и так называемый "эффект памяти" – если периодически не производить полный разряд батарей, то на пластинах элементов формируются крупные кристаллы, препятствующие их полному заряду, и как следствие, снижающие удельную емкость. Низкое напряжение единичного элемента – 1.2V (для Li-Ion 3.6V), что ведет к увеличению количества элементов.
Очень популярны автомобильные свинцово-кислотные (Sealed Lead Acid, SLA) аккумуляторы, но в мобильных устройствах они не используются.
Цены оригинальных аккумуляторов в зависимости от производителя, емкости и варианта исполнения различаются существенно. Варианты литий-ионных батарей с параметрами от 540 до 1000 mAh для сотовых телефонов фирм Nokia, Motorola, Siemens и Sony Ericsson предлагаются по цене от 1230 до 3250 рублей. Никель-металлогидридные аккумуляторы емкостью 550-900 mAh «идут» в пределах 640-1050 рублей.
В ноутбуках используются никель-металлогидридные и литий-ионные источники питания с емкостью, соответственно, до 3.5 Ah и 4.8 Ah. Заметили? Здесь измерения пошли уже в ампер-часах. Можно сравнивать их стоимость, но занятие это сугубо теоретическое, так как элементы Li-ion и NiMH сильно различаются по способу заряда, подключения и контролю состояния и совершенно незаменяемы один на другой. И даже если посмотреть на оригинальные аккумуляторы только литий-ионного (Li-Ion) исполнения для ноутбуков Toshiba то цены будут от 2300 до 5250 рублей.
Мировой объем производства электрических батарей – порядка $50 млрд., 11% из них – аккумуляторы. Если никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторы сегодня имеют примерно одинаковый объем продаж, то продажи литий-ионных аккумуляторов – в 4.5 раза выше, а свинцово-кислотные, в свою очередь, более чем в два раза обгоняют своих литиевых собратьев. Аналитики Freedonia Group, компании, специализирующейся на бизнес-прогнозах, учитывая динамику процессов, происходящих на рынке, дают свой прогноз развития до 2011 года. Итак, продажи всех групп будут расти и дальше, кроме никель-кадмиевых аккумуляторов, которым Freedonia отводит роль аутсайдера рынка, «назначив» двукратное падение продаж. А вот литий-ионная группа улучшит свои показатели сразу в 1.6 раза, обогнав свинцово-кислотные источники питания с их 20% роста.
Зарядные устройства для аккумуляторов разного типа существенно отличаются друг от друга способом заряда и характеристиками. По этим признакам аккумуляторы для мобильной техники делятся на две группы: литий-ионные (Li-Ion) и «никелевые» (Ni-Cd, Ni-MH) аккумуляторы.
В зарядном устройстве для литий-ионных аккумуляторов напряжения на аккумуляторе строго ограничено, так как в этом случае важно значения напряжения прекращения процесса заряда, потому что такой аккумулятор очень чувствителен к перезаряду. С другой стороны, неполный заряд литий-ионных элементов нежелателен и даже может привести к сокращению срока их эксплуатации. Время заряда литий-ионных аккумуляторов занимает около 3-4 часов, до того момента, как напряжение достигнет своего верхнего порога, после чего следует мгновенное отключение, поэтому аккумуляторы можно оставлять в зарядном устройстве и после окончания заряда.
Что касается хранения литий-ионных аккумуляторов, то лучше не хранить их вообще из-за некоторых «капризов»: через два года лежащий без дела аккумулятор практически выходит из строя, поэтому рекомендуется хранить его в заряженном состоянии. Но даже если Li-ion аккумулятор оставить на хранение с напряжением ниже 2.5V, он может выйти из строя всего через пару месяцев. Так что совет тут простой – эксплуатировать!
Методика заряда никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторов, как мы сейчас увидим, отличается от элементов предыдущего типа кардинально. Начнем с того, что в отличие от Li-Ion, никельсодержащие аккумуляторы перед зарядкой рекомендуется разрядить во избежание уже упоминаемого «эффекта памяти». Эта функция предусмотрена в большинстве современных зарядных устройств ручным переключением на “Discharge”, но чаще это делается автоматически. После того, как аккумулятор полностью зарядится, он, в отличие от предыдущего типа, не отключается, а переходит в режим импульсной зарядки, чтобы поддерживать максимальный уровень заряда.
Стандартный заряд аккумулятора занимает около 15 часов. Происходит он так: элемент подключается к зарядному устройству постоянного тока, равному 0.1 числовой величины емкости аккумулятора. То есть, например, для Ni-MH батареи AAA емкостью 900 mAh сила тока в цепи заряда составит 900/10 = 90 mA. Увеличив ток до трети значения емкости, сократим время заряда до 5 часов. Кто-то утверждает, что подобный прием снижает срок эксплуатации батареи, но вряд ли эта разница сильно ощутима. Такой заряд называется тонкоструйным и в литий-ионных аккумуляторах не применяется из-за опасности перезаряда. Интересно отметить, что увеличение силы тока в зарядном устройстве литий-ионного типа почти не сокращает время заряда.
Другой «быстрый» способ предусматривает большую силу тока в зарядной цепи с одновременным анализом состояния напряжения заряжаемого элемента, что позволяет намного сократить время заряда. Метод называется «Дельта V» (V). Дело в том, что при полном заряде аккумулятора, в какой-то момент произойдет некоторое снижение напряжения. Этот эффект позволяет «поймать» точку полного заряда и ограничить подачу тока в цепь во избежание перезаряда и, соответственно, перегрева элемента, сокращающего срок его службы.
И, наконец, реверсивный заряд, позволяющий эффективно бороться с тем самым «эффектом памяти» и частично восстанавливать вышедшие из строя аккумуляторы. Достигается это чередованием длинных импульсов заряда и коротких импульсов разряда в цепи зарядного устройства.
NiCd и Ni-MH аккумуляторы могут храниться в разряженном состоянии до пяти лет. После длительного хранения батареи требуется сделать «тренировку», то есть 2-3 цикла заряда-разряда для увеличения оперативной емкости аккумулятора.
По всей видимости, будущее зарядных устройств – за «умными» технологиями, примером которых может служить зарядник компании Vegavolt, созданной на базе московского завода «Манометр». Универсальное зарядное устройство автоматически определяет тип и модель подключенного к нему прибора и устанавливает нужные именно ему параметры. В числе таких приборов (а их уже 1675) - мобильные телефоны, фотоаппараты и видеокамеры, радиостанции, GPS-приемники, плееры и многое другое, включая машинки для стрижки. Цена устройства 1500 рублей. Действительно, перспектива при поездке на отдых вместо нескольких зарядных устройств обойтись всего одним - выглядит довольно привлекательно.
Но до сих пор остается актуальной проблема различия интерфейсов, попросту говоря, разъемов шины питания приборов. Полгода назад ведущие компании сотовой телефонии, такие, как Nokia, Motorola, Sony Ericsson, Samsung, AT&T, Vodafone, Orange, T-Mobile, SK telecom и LG Electronics, объявили о поддержке единого стандарта телефонного интерфейса с названием micro-USB. Таким образом, и передача данных, и зарядка устройства будут производиться по одному и тому же интерфейсу.
Неизвестно, когда этот стандарт будет введен официально, но компания Nokia, стремясь поддержать свое новаторское реноме, не стала дожидаться часа «Икс» и уже начала оборудовать свои модели, начиная с Nokia 6500 Classic разъемом micro-USB. Здесь стоит отметить, что речь идет не о новой технологии, а лишь о смене конфигурации разъема, поэтому бурной реакции производителей аксессуаров не последовало, разве что появились в продаже пятидолларовые переходники со «стандарта» на micro-USB. Впрочем, важность этого события для развития глобального рынка сотовой телефонии оценить все же стоит.
Итак, пока гранды электронного мира совершенствуют разъемы своего оборудования, небольшие компании пытаются наладить производство устройств, способных заряжать как можно большее число всевозможных приборов. Например, компания Callpod за $30 предлагает «шестизарядное» устройство Chargepod, предназначенное для «малышей» - сотовых телефонов, iPod-ов, но, увы, не подходящее для ноутбуков или видеокамер.
Устройство IDAPT Фирмы Idaptweb предназначено для одновременной подзарядки аккумуляторов различных моделей сотовых телефонов, GPS-систем, цифровых камер, медиа-проигрывателей и другого портативного оборудования. На корпусе зарядника расположены разъемы DC Jack и mini-USB. Стоит прибор 50 евро.
Еще один адаптер, на сей раз более мощный, представляет Mobility Electronics по цене $120. Устройство iGo Juice подойдет для любых КПК, мобильников и ноутбуков, заряжая два устройства одновременно.
Multi Charger предлагаемый российской Prolife обладает силой тока до 800 mA и пятью различными насадками, позволяющими согласовать устройство с большинством имеющихся в продаже мобильных приборов. Цена – 350 рублей.
Еще один шаг в сторону унификации - зарядные устройства, подключаемые к порту USB, на сей раз уже не micro. Похожий принцип используется в автомобильном варианте зарядных устройств, выполненном в виде шнура, соединяющего сотовый телефон с гнездом автомобильного прикуривателя. По сравнению со стандартными адаптерами, они более удобны, так как обладают меньшими размерами и их можно всегда иметь при себе.
Но основные проблемы возникают, конечно же, не в стандартных условиях городской квартиры или офиса, а в некотором от них отдалении. Уже говорилось о том, что емкость аккумулятора – величина почти физическая, и наращивать ее в мобильной технике очень непросто из-за ограничений, связанных с весом и объемом самого изделия. Так или иначе, при интенсивной эксплуатации мобильных устройств, срок их бесперебойной работы без подзарядки часто ограничивается одними сутками, что, разумеется, мало.
Удачный продукт в 2004 году выпустила Compact Power Systems. Одноразовая батарейка Cellboost емкостью 400 mAh просто заменяет севший аккумулятор сотового телефона, используя стандартный разъем. Все просто. Интересно другое: за восемь месяцев в США было продано 65 млн. батареек, что, согласитесь, дает некоторое представление о востребованности такого товара.
Самое простое, и, пожалуй, лежащее на поверхности решение – взять с собой запасные элементы питания, совместимые с вашим оборудованием. Это могут быть дополнительные стандартные батареи с переходником, обеспечивающие до двух часов дополнительного разговора по сотовому телефону или зарядное устройство со встроенным литиевым аккумулятором большой емкости, как PowerPad 130 фирмы Electrovaya емкостью 11Ah и весом в 1.1 килограмм, предназначенное для дополнительной 16 часовой подпитки ноутбука.
Но дополнительные элементы, так или иначе, в свою очередь нуждаются в зарядке от автомобильного аккумулятора или бытовой электросети. А она, как известно, не всегда находится рядом. Вот здесь и начинается своеобразный технологический креатив - в «добывании» энергии разными способами изобретатели соревнуются не первый год и решения зачастую удивляют своей оригинальностью.
Английская фирма Splashpower предлагает «бесконтактную» зарядку аккумуляторных батарей мобильных устройств, используя «трансформаторный» принцип электромагнитной индукции. SplashPad, как называется прибор, создает электромагнитное поле, позволяющее специальному SplashModule, помещенному рядом с ним, генерировать необходимый для подзарядки аккумуляторов электрический ток. Конечно, каждое заряжаемое устройство должно быть оборудовано преобразователем SplashModule, и сумеет ли Splashpower договориться с производителями по этому вопросу – пока неизвестно. Кроме того, индуктивный способ зарядки не особо экономичен, так как потери энергии весьма велики, да и для заряда батареи таким способом явно потребуется немало времени.
Одно из главных требований, выдвигаемых разработчиками к энергоносителям – доступность. Именно поэтому основной акцент - на использование таких неограниченных ресурсов, как солнце и ветер.
Солнечные батареи обладают рядом очевидных достоинств, но их основной недостаток – низкий КПД, редко достигающий 12%. Именно поэтому для получасового разговора по мобильнику батарею приходиться целый день «жарить» на солнце. Фирма AcmePower предлагает свой PS-936M-28W с показателем КПД в 16%, но достигается это только за счет использования фотоэлементов на базе монокристаллического кремния, который значительно эффективнее привычного поликристаллического, но заметно дороже. Понятно, что под термином КПД, или коэффициентом полезного действия здесь подразумевается соотношение между энергией, получаемой от солнечных лучей и электроэнергией, выдаваемой прибором. Как видим, даже в лучших образцах солнечных батарей это соотношение будет в районе 5:1. Так что пока источники питания на солнечной энергии следует рассматривать лишь как очень перспективное направление в относительно отдаленном будущем.
Еще один доступный источник – ветер. Конечно, здесь не обошлось без англичан: «украсив» почти все Соединенное Королевство ветряными электростанциями, «просвещенные мореплаватели» решили заняться выпуском их уменьшенных копий. Фирма Orange представила прототип своего стопятидесятиграммового «ветряка» в прошлом году, предполагается его скорый выход в серию. Еще одни «островитяне», на сей раз из тайваньской HYmini уже приступили к производству серийного ветряного генератора по цене $50, прикрепляемого на руль велосипеда или устанавливаемого на автомобиль. Чем он лучше обычного велосипедного или автомобильного генератора – не очень понятно.
Но надеяться на энергию природных стихий приходится не всегда. Самое надежное – использовать энергию собственную, тем более что те же велогенераторы и фонарики-«жучки» - наши старые добрые знакомые. Эти испытанные технологии используются и новых реалиях: скажем, устройством для зарядки мобильных телефонов, работающим от велопривода сегодня сложно кого-то удивить. Но не все генераторы, основанные на динамическом принципе можно отнести к разряду «хорошо забытого старого». Английский инженер Тревор Бэйлис, например, предлагает вырабатывать электричество при помощи встроенных в обувь пьезоэлектрических элементов, преобразующих механическую энергию, вырабатываемую при ходьбе, в электрическую для подзарядки мобильного телефона. Испытания изобретения в настоящее время проводятся в британской армии. Это уже не первое его изобретение в «микроэнергетике». Одно из его устройств – «заводной» приемник вошел в серию, и пользуется спросом, в основном, в странах Африки. Заводится пружина встроенного в девайс генератора, что позволяет справляться с проблемой дефицита электричества в африканских странах.
В российских магазинах заводных приемников пока не заметно, но имеются в продаже сувенирные брелки и фонарики с динамо-машинкой для зарядки мобильного телефона ценой $5, иногда можно найти что-то более основательное, как, например, экстремальная ручная динамическая зарядка ценой 400 рублей.
Безусловный интерес представляют топливные элементы и генераторы на жидком горючем. Такие источники энергии хороши тем, что запуск физических процессов и химических реакций, «поставляющих» электроэнергию полностью контролируется, а сырье можно запасать, как дрова или уголь.
О жидкостных генераторах скажем коротко - потребляют, все, что горит: сжиженный газ, бензин, керосин. Российские ученые из РНЦ «Курчатовский институт» в качестве топлива для зарядного устройства решили использовать спирт. Для того, чтобы получать электричество с напряжением 3,2 вольта в течение десяти часов, достаточно воспользоваться 50 граммами «топлива». Так что рыбаки и охотники могут теперь со спокойной душой запасаться алкоголем для своих сотовых. А что? Любит человек поговорить…
Топливные элементы – это химические реагенты, способные производить реакцию, сопровождающуюся выделением энергии. Последнее время сразу несколько крупных компаний «отметилось» прототипами метанолового топливного элемента. Речь идет о таких китах, как Toshiba, Hitachi, NEC, Duracel, Samsung. Пока у этой технологии два недостатка: габариты батарей и их цена.
Ведутся работы и в других направлениях, например, перспективным считается элемент питания на воде и алюминии и уже существует его опытный образец, но о промышленном производстве речь вновь не идет.
Пожалуй, PowerCartridge, цинк-кислородный элемент израильской Arotech Corporation на сегодня является единственным серийным топливным элементом. Он находится в герметичном корпусе, вскрытие которого запускает химическую реакцию, посредством которой вырабатывается ток, имеет неплохую емкость 3300 мАh, что позволяет вести непрерывную беседу по сотовому телефону более десяти часов, стоимость - $15. Основной потребитель – Армия обороны Израиля.
С одной стороны, подорожание энергоносителей в большей степени влияет на «большую» энергетику и при разработке малых генераторов почти не учитывается, с другой – почти все известные технологии получения электроэнергии могут без особых изысков быть использованы и в малых зарядных устройствах. Не нужно забывать и о том, с чего мы начали этот обзор – цифровые средства коммуникации стремительно прогрессируют, а элементы питания технологически за последнее десятилетие если и усовершенствовались, то вовсе не в той же пропорции, что очевидным образом тормозит развитие мобильной техники. Так что очередная технологическая революция, теперь уже в сфере сохранения и передачи электроэнергии, ожидает нас, по-видимому, в ближайшем будущем.
Нельзя не считаться с развитием «нетривиальных» зарядных устройств. Возможно, именно они позволят нам с вами и нашим мобильным «друзьям» избавиться от многолетней привязанности к домашней электрической розетке.