С переходом от аналоговых устройств к цифровым предъявляются новые требования к батареям. В отличие от аналогового оборудования, которое потребляет предсказуемый и устойчивый ток, цифровые устройства нагружают аккумулятор короткими импульсами высокого тока.

Одно из актуальных требований к батареям для цифровых приложений - низкое внутреннее сопротивление. Измеряемое в миллиомах (мОм) внутреннее сопротивление является привратником, который в значительной степени определяет время работы. Чем ниже сопротивление, тем меньше ограничений, с которыми сталкивается батарея при доставке необходимых всплесков мощности. Высокое значение мОм может вызвать раннюю индикацию «разряда батареи» на кажущейся исправной батарее, поскольку доступная энергия не может быть полностью доставлена.

В этой статье мы исследуем современные требования к аналоговым и цифровым устройствам связи. На рисунке 1 представлены типичные примеры пикового тока аналоговой двусторонней и цифровой радиостанции Tetra, а также мобильных телефонов AMP, GSM, TDMA и CDMA.

AMP GSM TDMA 1 CDMA
Тип Аналоговый Цифровой Цифровой Цифровой
Используется в США, Канада Глобально США, Канада США, Канада
Пиковая мощность 0,6 Вт 1-2 Вт 0,6-1 Вт 0,2 Вт
Пиковый ток 2 0,3 А постоянного тока 1-2,5 А 0,8-1,5 А 0,7 А
В эксплуатации с 1985 г. 1986 г. 1992 г. 1995 г.

Рис. 1. Пиковая мощность, необходимая для популярных в мире систем мобильной связи.
Переход от аналогового оборудования к цифровому снижает общую потребность в энергии, но увеличивает пиковый ток во время импульсов нагрузки. Мощность зависит от мощности сигнала.

Почему в цифровом оборудовании выходят из строя, казалось бы, хорошие батареи?

Специалисты по обслуживанию были озадачены, казалось бы, непредсказуемым поведением батареи при питании цифрового оборудования. При переключении с аналоговых на цифровые устройства беспроводной связи, в частности оборудования мобильной связи, аккумулятор, который хорошо работает в аналоговой системе, может показывать иррациональное поведение при использовании в цифровом устройстве. Проверка этих аккумуляторов с помощью анализатора аккумуляторов дает хорошие показания емкости. Почему же тогда некоторые батареи выходят из строя на цифровых устройствах, а не на аналоговых?

Общая потребность в энергии цифрового мобильного телефона меньше, чем у аналогового эквивалента, однако батарея должна быть способна выдавать сильноточные импульсы, которые часто в несколько раз превышают номинальную мощность батареи. Давайте посмотрим на номинал батареи, выраженный в C ‑ rate.

Разряд 1С аккумулятора на 500 мАч составляет 500 мА. Для сравнения, разряд той же батареи на 2С составляет 1000 мА. Телефон GSM с питанием от аккумулятора 500 мА, потребляющего импульсы 1,5 А, нагружает аккумулятор колоссальным разрядом 3С.

Для батареи с очень низким внутренним сопротивлением допустима разрядка 3C. Однако стареющие батареи, особенно литий-ионные и никель-металлгидридные аккумуляторы, представляют собой проблему, поскольку показания в мОм увеличиваются по мере использования. Повышение производительности может быть достигнуто за счет использования более крупной батареи, также известной как расширенный блок. Несколько более громоздкий и тяжелый, расширенный пакет предлагает типичную номинальную мощность около 1000 мАч, что примерно вдвое больше, чем у тонкой линии. Что касается C ‑ rate, разряд 3C снижается до 1,5 C при использовании батареи емкостью 1000 мАч вместо батареи емкостью 500 мАч.

В рамках продолжающегося исследования по поиску лучшей аккумуляторной системы для беспроводных устройств Cadex провела испытания жизненного цикла различных аккумуляторных систем. На рисунках 2–4 мы исследуем никель-кадмиевые, никель-металлгидридные и литий-ионные аккумуляторы, каждый из которых дает хорошие показания емкости при тестировании с помощью анализатора аккумуляторов, но дает потрясающие различия при импульсном разряде 1С, 2С и 3С. Эти импульсы имитируют телефон GSM.

При более внимательном рассмотрении обнаруживаются огромные расхождения в измерениях мОм тестовых батарей. Фактически, эти показания типичны для батарей, которые использовались некоторое время. NiCd показывает 155 мОм, NiMH 778 мОм и литий-ионный 320 мОм, хотя проверенные емкости составили 113, 107 и 94 процента соответственно при тестировании с нагрузкой постоянного тока анализатора батареи. Следует отметить, что внутреннее сопротивление новой батареи составляет от 75 до 150 мОм.

Из этих графиков мы видим, что время разговора находится в тесной взаимосвязи с внутренним сопротивлением батареи. NiCd обеспечивает долгое время разговора на всех скоростях C. Для сравнения, NiMH работает только с более низким C-коэффициентом. Литий-ионный аккумулятор работает лучше, но незначительно при разряде 3C.

Время разговора от NiCd аккумулятора при графике нагрузки GSM

Рисунок 2: Время разговора никель-кадмиевой батареи при графике нагрузки GSM. 
Эта батарея имеет емкость 113% и внутреннее сопротивление 155 МОм.

Время разговора от NiMH аккумулятора при графике нагрузки GSM

Рисунок 3: Время разговора от NiMH батареи при графике нагрузки GSM.
Эта батарея имеет емкость 107% и внутреннее сопротивление 778 МОм.

Время работы в режиме разговора литий-ионного аккумулятора при графике нагрузки GSM

Рисунок 4: Время разговора литий-ионного аккумулятора при графике нагрузки GSM. 
Эта батарея имеет емкость 94% и внутреннее сопротивление 320 мОм.