Как устроен аккумулятор для ноутбука

увеличить...

Сегодня рассмотрим устройство аккумулятора ( батареи ) для ноутбука на живом примере - батарее для ноутбука производства компании ACER модель AS10B31.

Итак, давайте для начала посмотрим на параметры нашей батареи:
 

 Нас на данный момент интересует надпись Li-Ion 11.1V 5200 mAH. Что же она означает, - по порядку:

Li-Ion - внутри батареи установлены литий-ионные элементы

11.1V - средняя точка рабочего напряжения, забегая вперед скажу, данное напряжение получается при последовательном соединении трех литий-ионных элементов, можно также встретить надпись 10.8 вольт - это фактически тоже самое, теже литий-ионные элементы, только со средней рабочей точкой 3.6 (против 3.7 при 11.1V) вольта у каждого из трех последовательно соединенных элемента.

И третий параметр надписи - 5200mAh - это емкость батареи, полученная в результате параллельного соединения двух литий-ионных ячеек (каждая по 2600мАЧ). Таже следует отметить что встречаются усиленные батареи емкостью 6600мАЧ (получается при параллельном соединении 3 ячеек емкостью 2200мАЧ, либо 2 ячеек емкостью более 3200Мач) это следует из законов физики (школьный курс - при параллельном соединении двух источников постоянного тока их суммарная емкость складывается). Что касается рабочего напряжения батареи, то оно бывает 14.4 (14.8) Вольт - при последовательном соединении 4 литий-ионных ячеек.

Заглядываем внутрь нашей батареи:

 А внутри батареи мы видим то, о чем говорили ранее - 3 группы батарей по 2 штуки в паралель (1, 2, 3) соединеные последовательно, данная конфигурация называется 3S2P (3 последовательно 2 паралельно). Следует отметить для полного понимания, если вспомнить школьный курс физики - при последовательном соединении источников постоянного тока - напряжение будет навно сумме напряжений каждого источника постоянного тока, которыми и являются сами группы литий-ионных элементов. Элементы li-ion выполнены в достаточно распространённом форм-факторе 18650, это означает что диаметр элемента питания составляет 18мм, длинна элемента - 65мм. Встречаются элементы такого формата разной емкости и с различными способностями в токоотдаче, т.е. какую нагрузку способен выдержать элемент, для ноутбуков используются элементы самого "низкого" диапазона способности выдерживать постоянную нагрузку - около 0.5С (это означает что элемент способен без ущерба собственному состоянию выдержать постоянную нагрузку в половину своей емкости), т.е. для среднестатистического элемента в 2200мАч, или 2.2Ач - максимально допустимая нагрузка составляет 1.1 А (Ампера). Также встречаются элементы формата 18650 способные выдержать значительно большие нагрузки - 10, 15, 20 и даже 30 ампер. Такие элементы используются в парогенераторах (электронных сигаретах), шуруповертов, батареях электровелосипедов и прочих мощных устройствах. В нашем магазине также имеются аккумуляторы формата 18650.

Средняя точка рабочего напряжение наших элементов 3.6 вольта, следовательно на выходе мы получим 3.6 вольт + 3.6 вольт + 3.6  вольт = 11.1 Вольт. Также хотелось бы немного прояснить ситуацию с диапазоном напряжения батареи: физико-химические параметры любой батареи будь то литий-ионнная, свинцовая или никель-кадмиевая, обуславливают некий разброс напряжения от минимально допустимого (2.7 - 2.8 Вольта для литий-ионных элементов) в полностью разряженном состоянии до максимального - 4.2 - 4.35 вольта (для их же)  в полностью заряженном состоянии, в зависимости от отдельных химических составов у разных производителей.

Иными словами - разряженный элемент имеет минимальное напряжение (2.7 вольт), а полностью заряженный элемент имеет напряжение 4.2-4.35 вольт. Исходя из этого следует логичный вывод - рабочее напряжение литий-ионной батареи ноутбука колеблется от 8 вольт (3 последовательно соединенные группы элементов) до 12.6 (13) вольт. А средняя рабочая точка напряжения - указана в параметрах батареи - в нашем случае это 11.1 Вольт.

Теперь давайте разберемся, что же стало причиной выхода из строя аккумуляторной батареи в нашем случае.

После отсоединения всех элементов друг от друга, замер напряжений на отдельно взятых элементах показал, что одна группа из 2 элементов имеет напряжение 0. Так уж получается что достоинство группировки по 2 элемента параллельно для увеличения общей емкости, стало причиной выхода из строя батареи - а причина в следующем: один из элементов вышел из строя (это может быть КЗ (короткое замыкание) элемента, это может быть потеря емкости, рост внутреннего сопротивления элемента), а поскольку вышедший из строя элемент соединен со вторым параллельно, вышел из строя и второй элемент, если взять за основу короткое замыкание - второй элемент получился также замкнут, что приводит к моментальной "гибели" элемента вследствие перегрева.

Если рассматривать выход из строя элемента по причине большого внутреннего сопротивления или потери емкости, второй элемент выйдет из строя не сразу - поскольку вся нагрузка будет приходится не на 2 элемента а на 1, и вследствие огромных нагрузок, на которые элемент не рассчитан он выйдет из строя после нескольких десятков циклов заряд-разряд, либо нескольких циклов вследствие перегрева от нагрузок на которые он опять же не рассчитан.

В мире производится огромное количество элементов питания, в нашем случае, как и в более 90% батарей ноутбуков используются литий-ионные батареи формфактора 18650. Как уже было отмечено ранее, - это её размеры - 18мм диаметр, 65мм длинна элемента. Разные модели таких элементов рассчитаны в зависимости от их предназначение на различные нагрузки, в частности батареи, используемые в производстве ноутбуков - на разрядные токи до 0.5С, эта цифра означает что элемент не рассчитан на нагрузку, превышающую 0.5 (половину) емкости элемента, т.е. при емкости элемента 2200Мач - предельно допустимый ток разряда не должен превышать 1100Ма или 1.1А. Что касается нашей батареи - например емкость одной ячейки 2600Мач - предельно допустимый ток нагрузки - не более 1300Ма или 1.3А, соответсовенно 2 соединенных паралельно элемента могут безопасно выдержать нагрузку 2.6А или 2600Ма.

При производстве ноутбука инженеры производят расчет максимальной потребляемой мощности ноутбуком и в соответствии с этими параметрами закупаются элементы питания. Среднестатистический ноутбук в режиме работы (серфингв сети интернет, фильмы, музыка и прочее) потребляет в среднем 30Вт энергии, это значит что при напряжении питания 11.1 вольт (средняя точка рабочего напряжения батареи) ток доходит до 2.7-3А. Эту нагрузку берет на себя каждая группа из 2 элементов (в нашем случае).В момент, когда в батарее ноутбука вышел из строя один элемент, второй еще пока живой элемент стал испытывать в двое большие нагрузки, на которые он попросту не рассчитан, что стало причиной выхода и его из строя. Поскольку одна группа из 2 элементов вышла из строя, напряжение стало ниже минимально допустимого - не более 8 вольт, или пропало вовсе (в случае обрыва защитного контакта в элементах) что уже никак недостаточно для запуска и работы устройства.

За всем этим делом: отдельно взятыми группами элементов, зарядом и разрядом следит контроллер батареи (небольшая платка) - он расположен внизу у нас на картинке, он-то и сообщает вашему ноутбуку что следует заменить батарею, это сообщение появляется и в операционной системе (иконка батареи).

Как уже было отмечено ранее, выпускается великое множество элементов такого форм-фактора, например существуют высокотоковые элементы, предназначенные, скажем, для электронных сигарет. Такие элементы могут выдерживать высокие токи, например до 30А. Чувствуете разницу - 1-1.5А и 30А. Да, такие элементы есть, но стоят они в разы дороже обычных, способных выдержать малые нагрузки. Батарея, изготовленная с использованием таких элементов жила бы долгую и счастливую жизнь, есть одно НО - стоила бы такая батареи возможно дороже самого ноутбука) Вот именно поэтому производители устройств постоянно баллансируют на грани цены и качества, ведь все мы должны понимать - у качественной вещи - своя цена.