Секреты "омоложения" батареи ноутбука

Секреты "омоложения" батареи ноутбука

Немного теории

В батареях современных ноутбуков применяются литиево-ионные и литиево-полимерные элементы, тогда как аппараты, выпущенные три-четыре года назад, могли содержать и никель-металлгидридные компоненты. Для того чтобы определиться с причиной возникновения дефекта, необходимо знать, как функционируют эти элементы.

Никель-металлгидридные (NiMH) аккумуляторы пришли на смену никель-кадмиевым (NiCd), и, несмотря на их активно разрекламированные преимущества, они в общем-то не оправдали ожиданий потребителей из-за сокращенного по сравнению с никель-кадмиевыми аккумуляторами срока службы, хотя образцы, выпущенные в конце 2001 г., стали более совершенными благодаря изменению технологии производства.

Типичный контроллер батареи

У NiMH-аккумуляторов есть свои достоинства и недостатки. К недостаткам можно отнести, как уже упоминалось, ограниченный срок службы (300 циклов "заряд-разряд"), повышенный саморазряд, присутствие "эффекта памяти". Такой эффект часто возникает при неправильной эксплуатации аккумуляторов - перед зарядкой они должны периодически полностью разряжаться, в противном случае емкость будет неумолимо снижаться независимо от количества циклов "заряд-разряд" и времени зарядки. Кроме того, не радовали значительные размеры и масса на единицу энергоемкости. Достоинствами были низкая цена, морозоустойчивость и больший, чем у литиево-ионных аккумуляторов, срок службы.

Эти аккумуляторы необходимо подвергать начальной (при покупке) и периодической "тренировке", суть которой заключается в их полном разряде и последующей зарядке во избежание появления "эффекта памяти".

Литиево-ионные (Li-ion) и литиево-полимерные (Li-pol) аккумуляторы нашли широкое применение в мобильной технике, что обусловлено высокой плотностью электрической энергии на единицу массы, а значит, и меньшими по сравнению с NiMH-аккумуляторами массой и габаритами. Они не предъявляют каких-либо требований к собственному обслуживанию и не обладают "эффектом памяти". Но есть у них и отрицательные стороны: во многих случаях такие батареи могут работать только при положительных температурах окружающей среды, довольно дороги и подвержены процессу старения даже тогда, когда не используются. Уменьшение емкости начинается примерно после года службы, а срок их жизни рассчитан примерно на ZOO-BOO циклов "заряд-разряд".

Копнем поглубже?

Здесь необходимо отметить, что все вышесказанное верно лишь чисто теоретически и декларируется производителями как элементов питания, так и батарей для мобильных устройств. Конечно, в большинстве случаев все это соответствует действительности, но бывают и исключения, обусловленные конструктивными особенностями аккумуляторов. Дело в том, что батареи ноутбуков состоят не из одного, а из группы последовательно соединенных элементов или даже блоков (иногда для увеличения емкости батареи несколько элементов питания соединяют параллельно, создавая блоки, которые в свою очередь соединяют последовательно для достижения необходимого для питания устройства напряжения). И вот здесь-то и кроется основная причина неработоспособности батареи питания. Как бы производитель ни стремился подобрать компоненты с полностью идентичными характеристиками, сделать это практически невозможно. И если у новой батареи элементы по основным параметрам (емкость, напряжение, внутреннее сопротивление) более-менее одинаковы, то после года эксплуатации различие может доходить до 20%. Казалось бы, подумаешь - 20%, ничего страшного. Ну будет аппарат работать от батарей не три часа, а, скажем, два с половиной. Но дело не только во времени. Разброс характеристик приводит к значительному ухудшению работы зарядного устройства, причем это особенно критично для литиево-ионных элементов. Несмотря на заверения производителей ноутбуков об "интеллектуальности" их зарядных устройств, основные требования к заряду элементов, оговоренные в сопроводительной документации к аккумуляторам, не соблюдаются, причем как в случае с литиево-ионными, так и с никель-металлгидридными. Проблема в том, что для обеспечения нормального заряда каждый из элементов батареи необходимо заряжать отдельно от других. Но тогда, если батарея состоит из девяти литиево-ионных элементов, для ее зарядки потребуется девять дорогостоящих интеллектуальных контроллеров, позволяющих определить окончание процесса по мизерному провалу зарядного тока, что на практике приведет к существенному увеличению как стоимости, так и размеров ноутбука. Поэтому применяется метод так называемого последовательного заряда с контролем окончания процесса по достижении батареей некоторого напряжения. Для литиево-ионных элементов этот параметр составляет 4,2 В, соответственно для всей батареи из трех групп элементов напряжение будет составлять 4,2Ё3 = 12,6 В. Это вполне допустимо для элементов, идентичных по характеристикам или различающихся на доли процента. Большее различие приводит к тому, что одни элементы недозаряжаются, тогда как у других избыточный заряд начинает утилизироваться в виде тепла и повышенного газообразования.

Здесь необходимо вернуться к рассмотрению строения литиево-ионной батареи. Так как ее элементы являются довольно опасными в эксплуатации (вспомните многочисленные истории о взрывах и возгораниях "серых" мобильников), любой аккумулятор имеет несколько степеней защиты. Самая первая находится в каждом цилиндрическом элементе и представляет собой небольшую вогнутую пластинку, расположенную под плюсовым выводом. Эта пластинка призвана не допустить взрыва элемента при повышенном давлении: в случае "перезаряда" она размыкает цепь, прекращая подачу напряжения. Несмотря на то что после этого давление внутри элемента падает до нормальной величины, пластинка в первоначальное состояние не возвращается. Теоретически такой элемент (а по мнению производителей, и вся батарея) подлежит замене.

Вторая защитная цепь установлена в контроллере батареи. Она состоит из микропроцессора, отслеживающего уровень напряжения на каждом элементе (в некоторых случаях контролируется лишь общее напряжение батареи) и электронного ключа, размыкающего цепь, если напряжение заряда превысит 4,2 В на элемент или напряжение разряженной батареи окажется меньше 3,4 В на один элемент (иногда этот показатель может варьироваться). В принципе здесь ничего фатального быть не может, за исключением двух случаев. Первый - если напряжение элементов упадет ниже отметки 2,8 В (а такое бывает при длительном хранении батареи без подзарядки).

При этом элементы отключаются, а зарядное устройство ноутбука считает, что батарея неисправна. И второй - в случае короткого замыкания выводов (несмотря на присутствие в каждой батарее предохранителя) выходит из строя ключ контроллера, что также приводит к неработоспособности аккумулятора.

Третья цепь защиты - идентификационная микропрограмма, встроенная в ПЗУ контроллера. Она служит для определения зарядным устройством типа и емкости элементов, а также предотвращает использование батареи сторонних производителей.

Никель-металлгидридные элементы значительно проще в эксплуатации. Они не боятся "перезаряда", выдерживают длительный нагрев без значительного ухудшения характеристик и не имеют встроенных в элемент средств защиты. Тем не менее вследствие применения зарядных устройств последовательного типа выход из строя изготовленной на их основе батареи может произойти даже при полностью исправных элементах. Как правило, этот дефект является следствием работы на ноутбуке, постоянно подключенном к сети переменного напряжения. Из-за того что отдельные элементы имеют "эффект памяти" и довольно большой разброс характеристик, зарядка происходит неравномерно. То есть когда одни элементы уже полностью заряжены, другие не достигли и половины от нормы. В результате напряжение на заряженных элементах начинает увеличиваться (для никель-металлгидридных оно составляет 1,4 В), и контроллер считает, что процесс завершен, что приводит к уменьшению суммарной емкости батареи на 50% (закон Ома для последовательной цепи). Со временем это явление усиливается в геометрической прогрессии, приводя к полной неработоспособности аккумулятора.

Начинаем практикум

Если вы воспользовались нашими рекомендациями и приобрели ноутбук с неисправной батареей, первое, что нужно сделать, - отыскать в Интернете инструкцию и тщательно ее изучить. Понятно, что этого, как правило, никто не делает, а напрасно. Порой там можно найти все необходимое для восстановления аккумулятора. Дело в том, что большинство производителей ноутбуков включают в состав ПО утилиту для рекалибровки, или "тренировки" аккумулятора, позволяющую в течение 6-8 часов вернуть ему былую силу. Например, в приобретенном нами ноутбуке Fujitsu-Siemens Amilo эта утилита вызывается при загрузке системы нажатием клавиши F6. Будем считать, что нам повезло, - после вызова этой программы и шестичасового ожидания батарея стала как новая. Более того, производитель рекомендует проводить подобную "тренировку" каждые полгода, а в случае постоянной работы от сети - раз в два месяца.

Если такой программы не предусмотрено или найти ее не представляется возможным, придется прибегнуть к "хирургии". Для этого потребуются "прямые" руки, а также некоторый набор инструментов - мультиметр (или тестер), паяльник мощностью не более 40 Вт, макетный нож, несколько автомобильных лампочек с припаянными к ним проводами и суперклей на основе циан-акрилата.

Для начала аккумулятор придется разобрать. Сделать это не так легко - как правило, все батареи имеют неразборную конструкцию, состоящую из двух склеенных половинок. Поэтому нужно найти шов и попытаться с помощью макетного ножа осторожно их разъединить. Если не получается, можно несколько раз уронить батарею на пол (только не на кафельный) с высоты человеческого роста - тогда процесс пойдет значительно быстрее. Если же и это не помогло, придется аккуратно разрезать шов с помощью макетного ножа, стараясь не повредить внутренние компоненты.

Итак, аккумулятор разобран. Что делать дальше? Это зависит от типа элементов, примененных в батарее.

Никель-металлгидридные элементы

Первое, что нужно сделать, - сосчитать количество элементов. Полученное число нужно умножить на 1,2 - результат будет составлять номинальное напряжение батареи в вольтах. Далее берем автомобильную лампочку мощностью 21 Вт и припаиваем ее к крайним выводам группы последовательно соединенных элементов. Загорелась - хорошо, нет - ничего страшного. Теперь нам понадобится мультиметр. Выставляем предел измерения 20 В и проверяем напряжение на лампочке. Если оно соответствует номинальному, а ноутбук не включается, причина неисправности скорее всего в контроллере батареи. Можно попробовать отремонтировать его самостоятельно (предварительно отпаяв от элементов), а можно обратиться к знакомому радиолюбителю.

В случае, если напряжение ниже номинального, переключаем мультиметр на предел измерений 2OOO мВ и проверяем напряжение на отдельных элементах, помечая фломастером те из них, напряжение на которых ниже 1,1 В (элементы лучше пронумеровать, а величины напряжений на них записать в таблицу). Далее необходимо провести "тренировку" аккумулятора. Для этого потребуется еще несколько лампочек с припаянными проводами, которые придется присоединить к каждому (это важно!) элементу аккумулятора. Присоединили? Теперь можно часов на десять отвлечься от батареи и заняться чем-нибудь другим. Почему так долго? Дело в том, что в нашу задачу входит выравнивание напряжения на элементах, а сделать это можно, лишь доведя его до 0 В. (Хотя производители и утверждают, что при полном разряде элемента он обязательно выйдет из строя, на практике такого не наблюдалось.)

После полного разряда элементов аккумулятор необходимо зарядить. Так как батарея разряжена полностью, штатное зарядное устройство здесь не поможет - напряжение придется "приподнять". Сделать это можно с помощью блока питания ноутбука и автомобильной лампочки, подключенной последовательно к элементам аккумулятора. Дожидаться полной зарядки батареи необязательно, достаточно поднять напряжение до 1,1 В на элемент, после чего уже возможно использовать штатное зарядное устройство.

Никель-металлгидридная батарея

По окончании цикла зарядки вышеописанный процесс придется повторить еще два раза (как минимум), после чего можно будет проверить батарею непосредственно в ноутбуке.

Литиево-ионная батарея

В случае, если вышеописанный способ "тренировки" батареи не привел к положительному результату, придется менять элементы питания. Причем сразу все - подобрать подходящий по характеристикам не получится, так как для этого понадобится найти аналогичную батарею, проработавшую столько же часов. В качестве "донора" лучше всего использовать бытовые никель-металлгидридные аккумуляторы производства компании Sanyo емкостью 2100 мА.ч. При неплохом качестве исполнения они обладают приемлемой ценой, что становится актуальным, если батарея вашего ноутбука содержит десять и более элементов питания. Главное при такой замене - ни в коем случае не использовать паяльник для соединения элементов в последовательную цепочку. Лучше приложить чуть больше усилий и сделать контактные держатели, к которым можно будет припаять соединяющие провода.

Литиево-ионные элементы

Как сказано выше, эти аккумуляторы довольно опасны в эксплуатации, поэтому и ремонт батареи потребует особой аккуратности. Перед началом каких-либо активных действий, убедитесь, что батарея полностью разряжена (если это возможно). Процесс проверки в принципе аналогичен таковому для никель-металлгидридных аккумуляторов, т.е. точно так же припаиваем лампочку-нагрузку к элементам и проверяем напряжение. Отличие состоит в том, что на каждый элемент должно приходиться от 3,7 до 4,1 В. Если лампочка светится и напряжение соответствует количеству элементов, умноженному на 3,7 (или превышает его), смело можно переходить к ремонту  контроллера.  Если же напряжение значительно ниже или емкость аккумулятора существенно отличается от первоначальной, придется проверять каждый элемент в отдельности. Некоторая сложность заключается в наличии параллельных блоков (см. выше) - для правильной диагностики их придется разъединить, разрезав посередине металлические соединительные полоски-мостики (это можно сделать лишь с одного торца - положительного или отрицательного). Конечно, перед началом подобной проверки контроллер батареи необходимо отпаять. Отделив все элементы друг от друга, можно переходить непосредственно к их диагностике с помощью лампочки-нагрузки и мультиметра. Подключаем лампочку к выводам мультиметра (а не элемента питания) и начинаем мерить напряжение на каждом элементе - оно должно быть в пределах 3,7-4,1 В. Если значение существенно ниже или равно нулю - элемент неисправен и нуждается в замене. Конечно, можно попытаться его отремонтировать, разрезав положительный вывод и восстановив защитную пластинку, но, на наш взгляд, это нецелесообразно: стоимость нового элемента не превышает 3-4 долл.

После проведения диагностики и выявления неисправных элементов оставшиеся необходимо разрядить (с помощью лампочки) до напряжения 3,2 В. Эту же операцию придется проделать и с новыми аккумуляторами, которые будут устанавливаться в батарею. Данная процедура необходима для того, чтобы контроллер начал заряжать батарею "с нуля", иначе впоследствии могут возникнуть проблемы с правильным определением уровня заряда аккумулятора.

Еще одна неисправность, часто возникающая при эксплуатации (а вернее, при отсутствии оной) литиево-ионных и литиево-полимерных аккумуляторов, - уменьшение напряжения элементов ниже порога срабатывания защитного контроллера. При этом батарея не заряжается, а напряжение на ее контактах равно нулю. Подобный дефект устранить довольно легко - достаточно подключить через 5-Вт лампочку к последовательной цепочке элементов источник питания ноутбука и дождаться зарядки батареи до напряжения, составляющего 3,4 В на один элемент. После этого батарею можно собирать (вот для этого-то и потребуется циан-акрилатный клей) и устанавливать в ноутбук для последующей зарядки.

Кстати, аккумулятор есть не только в ноутбуке. Еще одним ярким представителем семейства мобильных устройств, периодически нуждающимся в процедуре "омоложения", является карманный компьютер. Причем если в ноутбуках мы лишь пытаемся восстановить утраченные качества, то за счет некоторых не очень сложных манипуляций в КПК аккумулятор порой удается не только отремонтировать, но и заставить работать в несколько раз дольше. Об этом и многом другом вы сможете прочитать в одной из следующих статей нашего цикла.