home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Monster Media 1993 #2 / Image.iso / educate / laptut58.zip / PART1.EXE / BATTERY.TXT next >
Text File  |  1992-12-06  |  26KB  |  442 lines

  1.        
  2.        ---------------------------------------------------------------- 
  3.  
  4.                   RECHARGEABLE BATTERIES AND LAPTOP COMPUTERS 
  5.  
  6.        ---------------------------------------------------------------- 
  7.        
  8.        No other topic seems to inspire more opinion and comment than 
  9.        the proper care and handling of rechargeable laptop and notebook 
  10.        computer batteries. Should you slow or fast charge them? What is 
  11.        the true life of a rechargeable battery after which it must be 
  12.        disposed? Do rechargeable batteries have a "memory" effect? Can 
  13.        nickel-cadmium batteries explode when charging or discharging? 
  14.  
  15.        Although this tutorial may seem technical in places, try to read 
  16.        ALL of it since battery power may be your only source of laptop 
  17.        power on many occasions. 
  18.  
  19.        For many portable computers a variety of rechargeable battery 
  20.        options exist today. But frequently it comes down to the old 
  21.        standby: nickel-cadmium batteries. Ubiquitous in consumer 
  22.        electronic items such as shavers, flashlights, toothbrushes and 
  23.        radios, nickel-cadmiums or "nicads" are a reasonable balance of 
  24.        power, cost and weight and are used by many computer 
  25.        manufacturers as the portable power source of choice. Let's 
  26.        scratch the surface on the topic since there is QUITE A BIT the 
  27.        manufacturer doesn't tell you about nicads.... 
  28.        
  29.        Glance at the following chemical equation which is at the heart 
  30.        of the nickel-cadmium cell reaction. Don't get overly anxious 
  31.        because high school chemistry was not your favorite subject. 
  32.        We'll take things slowly.... 
  33.        
  34.                            <-----
  35.        Cd + 2 NiOOH + 2 KOH -----> Cd(OH) + 2NiO + 2 KOH 
  36.                                         2 
  37.         
  38.        In this highly simplified reaction sequence, electricity is 
  39.        generated when the reaction proceeds in the direction of the 
  40.        right pointing arrow, the discharge cycle. If the reaction 
  41.        proceeds in the left direction the cell is charging. 
  42.        
  43.        In simplest terms, a nicad cell (a battery is constructed of 
  44.        several cells hooked together) has a positively charged plate of 
  45.        nickelic hydroxide and a negative plate of metallic cadmium. The 
  46.        liquid between the positive and negatives plates which 
  47.        facilitates this chemical reaction is usually a dilute solution 
  48.        of potassium hydroxide - similar to lye or the Draino (tm) 
  49.        solution your pour down the sink to clean your plumbing. When 
  50.        discharging and thus producing electricity, the nickelic 
  51.        hydroxide is reduced to nickelous hydroxide as hydroxyl ions 
  52.        from the potassium hydroxide electrolyte combine with the 
  53.        cadmium metal of the negative plate of the cell to form cadmium 
  54.        hydroxide. Cadmium is oxidized when this happens and electrons 
  55.        are provided into the external circuit, such as your laptop 
  56.        computer. 
  57.  
  58.        When charging, the process reverses and hydroxyl ions combine 
  59.        with the nickel which accepts electrons from the external 
  60.        charging circuit. Notice that the electrolyte, potassium 
  61.        hydroxide is unchanged with two atoms or units produced on both 
  62.        sides of the chemical equation whether charging or discharging. 
  63.        This is why you do not need to add more water to a nicad battery 
  64.        which operates as a sealed reaction container. It regenerates 
  65.        its electrolyte in both the charge and discharge cycles. 
  66.        
  67.        All of this is an ideal nicad cell. The real world of computers 
  68.        and rechargeable batteries is not quite that simple. The first 
  69.        SERIOUS item to consider is that all nicad cells and batteries 
  70.        generate gas during both the charging, and to a lesser extent, 
  71.        discharging cycle. 
  72.        
  73.        During recharging, oxygen gas is generated at the positive 
  74.        electrode while hydrogen gas is produced at the negative 
  75.        electrode. In other types of rechargeable cells, a standard lead 
  76.        acid car battery for example, these gasses are usually released 
  77.        into the atmosphere. The nicad cell does not have this luxury 
  78.        since it must operate cleanly and with minimum release of gasses 
  79.        or liquids. To minimize hydrogen gas release, nicad cells 
  80.        usually have an oversized negative electrode which tends to 
  81.        reabsorb hydrogen gas. In addition oxygen is recycled by 
  82.        combining with metallic cadmium to produce cadmium oxide. So 
  83.        called "fast-charging" nicad cells prevent gas buildup and 
  84.        dissipate some of the heat generated during the quick charge 
  85.        cycle by further enlarging the electrodes. Heat and gas buildup 
  86.        is thus controlled and kept to tolerable limits in quick charge 
  87.        nicads. 
  88.  
  89.        The first of several lessons which can be derived from this 
  90.        technical discussion is that the buildup of hydrogen and oxygen 
  91.        gas during the charging cycle is normally dissipated unless HIGH 
  92.        recharging rates are attempted or unusually high temperatures 
  93.        are produced. If the nicad cell is charged at abnormally high 
  94.        rates the oxygen gas cannot dissipate and will EXPLOSIVELY 
  95.        rupture the cell. 
  96.        
  97.        A safety system of sorts exists within the design structure of 
  98.        most nicad cells via a pressure venting system - a plastic 
  99.        diaphragm membrane at the top of the cell and small external 
  100.        hole or "exhaust vent." In theory the system safely vents excess 
  101.        pressure and then reseals. In practice the resealing is never 
  102.        complete and the cell may continue to ooze caustic electrolyte 
  103.        or worse the vent may not open soon enough and the cell may 
  104.        simply explode. The vent is really designed for SEVERE charging 
  105.        or discharging rates. In normal use it should NEVER activate; if 
  106.        it does, the battery should be discarded. In cases of massive 
  107.        overcharge or discharge the safety vent is usually too little 
  108.        too late and a dangerous battery explosion takes place anyway. 
  109.        
  110.        During rapid discharge - short circuiting the nicad cell or 
  111.        battery with a piece of wire, for example - gas buildup and heat 
  112.        can be generated and a violent explosion can occur. Another 
  113.        reason why nicads can explosively burst when short circuited and 
  114.        forced to discharge quickly is that they have relatively low 
  115.        "internal resistance" which allows them to dump their electrical 
  116.        capacity quickly and with explosive force. 
  117.        
  118.        Common zinc carbon batteries have a much higher internal 
  119.        resistance and when shorted may produce serious burns to your 
  120.        fingers from melting wire but usually will not explode due to 
  121.        sudden gas buildup. On the point of sudden nicad discharge by 
  122.        short circuit you might be tempted to say that it would be highly 
  123.        unlikely with a portable computer battery. Not so. Tales are 
  124.        told of laptop computer batteries which have exploded when a 
  125.        careless owner shoved several fully charged nicad batteries in a 
  126.        travel case with a set of spare keys. If the keys accidentally 
  127.        contact both the positive and negative poles of the nicad 
  128.        simultaneously, a violent explosion reaction can occur!   
  129.        
  130.        Clearly nicads have some unusual features to be respected and 
  131.        understood. Be careful with charged nicads and treat them as the 
  132.        small "hand grenades" which they can become. Heat, sudden short 
  133.        circuits and high rates of charging are the problem in this 
  134.        area. 
  135.        
  136.        The correct operating temperature for discharging and recharging 
  137.        nicads is from 65F to 85F, according to most manufacturers. High 
  138.        and low ranges of from +32F to 115F are possible as upper and 
  139.        lower limits if nicads MUST be used in extreme environments 
  140.        although discharge and recharge efficiency may be adversely 
  141.        affected - it may require more power to fully charge the battery, 
  142.        charge may not be held for as long on the shelf after charging 
  143.        and finally discharge may not produce a full three or four hour 
  144.        computing session at these severe temperature ranges.
  145.  
  146.        Electrically, individual nicad cells - the units which are 
  147.        hooked together to produce the final battery - have a charged 
  148.        voltage of 1.25 volts. Nominally this drops to 1.2 volts under 
  149.        actual discharge use or "load" in the electrical device. 
  150.        Individual cells are strung together in "series" with the 
  151.        positive terminal of one cell touching the negative terminal of 
  152.        the next cell in sequence to raise the voltage to that suitable 
  153.        for the electrical device. Thus two cells hooked in "series" as 
  154.        a battery produce 2 X 1.2 volts = 2.4 volts. Likewise, three 
  155.        cells connected as a battery produce 3.6 volts. By the way, 
  156.        ordinary flashlight batteries of the carbon zinc type have a 
  157.        nominal voltage of 1.5 volts compared to the 1.2 volts of the 
  158.        nicad cell.
  159.  
  160.        Nicad batteries have an unusual and highly characteristic 
  161.        discharge behavior which is best described as "a stable 
  162.        discharge plateau then sudden voltage drop." Essentially a fully 
  163.        charged nicad battery provides constant voltage and current 
  164.        until near its exhaustion at which point the voltage SUDDENLY 
  165.        DROPS and the cell is, for practical purposes, completely 
  166.        discharged. 
  167.        
  168.        Compare this to standard carbon zinc and alkaline batteries 
  169.        which gradually drop in voltage and amperage through the 
  170.        discharge cycle of the battery. In use nicads tend to be stable, 
  171.        then die suddenly at the end while conventional non-rechargeable 
  172.        batteries slowly decay in voltage as their power is consumed. 
  173.        One conclusion you might draw from this is that when your 
  174.        portable computer beeps that the nicad battery voltage is 
  175.        nearing exhaustion you literally have only moments of use left! 
  176.        The good news is that nicads produce dependable power through 
  177.        their discharge cycle which is highly desirable with digital 
  178.        data and computer memory devices. 
  179.  
  180.        The "memory effect" of nicads is perhaps the most discussed and 
  181.        misunderstood phenomenon associated with nicad cells and 
  182.        batteries. An undesirable and somewhat unique characteristic of 
  183.        nicad batteries that they can develop a "memory" which can 
  184.        decrease either the capacity or voltage of the battery. 
  185.        
  186.        The first type of memory problem in nicads - voltage memory - is 
  187.        caused by sustained charging over many days or months. This 
  188.        memory effect can be accelerated by high ambient temperature 
  189.        extreme duration of charge and high rate of charge. In effect 
  190.        the battery is charged for such a long period of time or at such 
  191.        a high rate or high temperature that the efficiency of the 
  192.        chemical reaction is impaired and proper terminal voltage 
  193.        readings are not achieved. 
  194.        
  195.        In the second, more common "memory capacity" problem, the nicad 
  196.        loses the capability to deliver its full power capacity. One 
  197.        cause of this peculiar memory problem is the FREQUENT PARTIAL 
  198.        DISCHARGE of the battery - use for perhaps 30 minutes - and then 
  199.        full recharge again. In effect the nicad battery "learns" that 
  200.        only part of its capacity is used and over several cycles of 
  201.        "partial depletion and then full recharge" that less then full 
  202.        capacity is needed. It will then be unable to deliver a full 
  203.        two or three hour standard discharge in normal use. Fortunately 
  204.        memory effects are usually temporary and can be reversed.
  205.        
  206.        The chemical basis for these two memory effects is not fully
  207.        understood, but may have to do with obscure oxidation reactions 
  208.        which temporarily coat the internal electrodes of the battery 
  209.        with thin layers of complex non-reactive chemical compounds 
  210.        which can be removed by more fully "exercising" a nicad through a 
  211.        complete charge/discharge cycle. 
  212.  
  213.        It is claimed by many manufacturers that this odd memory effect 
  214.        of nicads has been largely eliminated due to modern 
  215.        manufacturing methods. However to some degree this may in fact 
  216.        be a result of newer charging systems and the relatively 
  217.        complete discharge of nicad power by modern laptops. In effect 
  218.        the batteries are charged and discharged in a more appropriate 
  219.        manner by most laptop users so memory effects "appear" to be no 
  220.        longer a problem.
  221.  
  222.        Both memory problems - voltage memory and capacity memory - are 
  223.        usually temporary and can be corrected by discharging the 
  224.        battery to or very near its exhaustion point (optimum drawdown 
  225.        voltage is about 1.0 to .9 volts for a standard 1.2 volt nicad) 
  226.        and then recharging it to full capacity. Repeat this discharge-
  227.        recharge cycle from 2 to five times and frequently the nicad 
  228.        will lose its memory for the "partial capacity" and again 
  229.        provide a full 3 or 4 hours of use in most laptops. Actually, 
  230.        frequent FULL discharge and recharge prolongs the life of a 
  231.        nicad. The more you use them the longer they last! 
  232.  
  233.        Most folks who want to completely discharge laptop nicads simply 
  234.        leave the computer on until it runs down. A much faster method is 
  235.        to use the following batch file which continuously reads the 
  236.        directory of a disk and writes the contents to a disk file. 
  237.        The continuous disk access drains nicad power much faster. If 
  238.        you are not familiar with batch files, read the batch file 
  239.        tutorial elsewhere in this program. Here's the three line batch 
  240.        file. To stop the batch file at any time press the control and 
  241.        break keys simultaneously. When finished you may wish to erase 
  242.        both the batch file and the small file named "test" which it 
  243.        creates.
  244.  
  245.        :start
  246.        dir>test
  247.        goto start
  248.  
  249.        As an aside, the newer nickel-hydride batteries used in some 
  250.        laptop and notebook computers do not seem to suffer from memory 
  251.        effects. But these batteries are more expensive and not in 
  252.        common use by most laptop manufacturers.
  253.  
  254.        Nicads do eventually fail. And for various reasons. Temporary or 
  255.        partial failure due to memory effects was discussed in the 
  256.        previous paragraphs. 
  257.        
  258.        Permanent failure - usually between 3 to 5 years into the life 
  259.        of a typical nicad can happen due to the growth of 
  260.        characteristic "whiskers" of conducting chemical compounds which 
  261.        effectively bridge the internal gap between the positive and 
  262.        negative electrodes inside the battery. Effectively these small 
  263.        contamination deposits gradually short circuit the battery 
  264.        internally which leads to inability to charge or discharge. Some 
  265.        clever electronic hobbyists build high current "surge" power 
  266.        supplies which can burn open these internal deposits and reopen 
  267.        the gap between positive and negative electrodes. A risky 
  268.        practice at best - given the explosive reputation of nicads - but 
  269.        "zapping" nicads in this manner has been documented as one way 
  270.        to add life to an otherwise dying battery. A risky an usually 
  271.        ill-advised attempt to salvage an otherwise dying battery.
  272.  
  273.        A different permanent failure can result from premature loss of the 
  274.        liquid electrolyte from the battery. High temperature and/or 
  275.        high charging rates are usually the cause here. Quick-charge 
  276.        batteries frequently fail due to this problem if their charging 
  277.        circuits are not properly designed. If the top edge of the cell 
  278.        which contains the fail safe pressure release valve has a 
  279.        buildup of white corrosion powder this is probably the residue 
  280.        ot the expelled electrolyte and the cell may be on its way to 
  281.        failure and should be replaced. Note that you can only see this 
  282.        corrosion buildup on the top of the SINGLE nicad cells which are 
  283.        usually encased within a surrounding plastic battery housing. 
  284.        The plastic housing may show little problem externally. 
  285.        Generally, however, the average computer user should not attempt 
  286.        to open the protective plastic case of the battery to examine 
  287.        each cell. If the manufacturer seals several individual nicad 
  288.        cells in a plastic battery container it is for GOOD reason and 
  289.        your own personal safety. As a rule quick charge nicads do not 
  290.        last as long a regular nicads due to heat build up during the 
  291.        charging cycle.
  292.  
  293.        So how long will a nicad battery last before complete failure 
  294.        occurs? Manufacturers estimate LOW figures between 500 and 1,000 
  295.        full charge and discharge cycles or about 3 to 5 five years, as 
  296.        noted above. Some nicads have been known to approach 5,000 to 
  297.        10,000 charge and discharge cycles before permanent failure. 
  298.        Excessive quick charging, heat buildup, infrequent use and lack 
  299.        of full charge all contribute to shortened nicad lifespan. 
  300.  
  301.        Charging and discharging mathematics... 
  302.  
  303.        Charging nicads is generally done automatically by a charging 
  304.        circuit. Two practical pieces of advice: 1) if the battery 
  305.        becomes VERY hot something could be wrong 2) if the manufacturer 
  306.        tells you that the battery will be fully charged after a certain 
  307.        length of time although it can be left charging longer you will 
  308.        probably do the nicad a favor by removing it after full charge 
  309.        is reached. Some clever nicad users simply attach an inexpensive 
  310.        electrical timer - similar to those used to turn lights on and 
  311.        off in the evening - directly to the nicad charger to prevent 
  312.        overcharging. 
  313.        
  314.        Generally nicads have a proper charging rate which depends on 
  315.        each manufacturers recommendation. For standard nicads which are 
  316.        NOT quick charge types the proper slow or "trickle" charge rate 
  317.        is determined by dividing the ampere hour capacity of the 
  318.        battery by 10. For example if a nicad has a total capacity of 1 
  319.        ampere hour, dividing this by ten (1/10) produces a correct 
  320.        trickle charging rate of .1 amps or 100 milliamps. Quick-charge 
  321.        nicads can accept a charge rapidly and the suggested charging 
  322.        rate is determined by dividing the ampere hour capacity of the 
  323.        battery by 3 rather than by 10. These figures represent the 
  324.        trickle charge rate which theoretically means the nicad "could" 
  325.        be safely left charging indefinitely without harm. 
  326.  
  327.        Higher efficiency chargers are designed not to simply trickle 
  328.        charge nicads but start a discharged battery at a HIGH rate of 
  329.        charge and then taper the charging current back quickly to the 
  330.        safer "trickle" charge rate once full charge is reached. Usually 
  331.        for regular nicads this "initial surge charge" can be as high as 
  332.        the ampere hour capacity divided by 3. For quick charge nicads 
  333.        this "initial surge charge" can be as high as the ampere hour 
  334.        capacity divided by 1. Obviously these are very high charge 
  335.        rates and are provided to discharged batteries and then 
  336.        quickly discontinued once full charge is approached. Clearly a 
  337.        charging circuit of this sophistication is expensive and may 
  338.        even contain its own microprocessor to sense the discharge level 
  339.        of the nicad and calculate the optimum charge rate, time and 
  340.        trickle charge transition. Since we have previously discussed 
  341.        the adverse affect of heat on nicads it is essential to note 
  342.        that NICADS SHOULD BE CHARGED IN A COOL OR ROOM TEMPERATURE 
  343.        location since they normally generate heat when charged. If you 
  344.        minimize heat buildup - especially during the charging cycle - 
  345.        you will prolong the useful life of your nicad battery. 
  346.        
  347.        Discharging a nicad - especially if you are trying to remove a 
  348.        "memory" problem such as that discussed earlier does NOT mean 
  349.        discharging a cell to zero volts. Usually the correct discharge 
  350.        voltage is about 1.0 volts. This may seem odd when you consider 
  351.        that the fully charged cell has a 1.2 volt reading, but in fact 
  352.        at 1.0 volts a typical nicad cell has released about 90% to 95% 
  353.        of its energy - another eccentric, but predictable behavior of 
  354.        nicads given the rapid "voltage drop off" as they near the end 
  355.        of their three or four hour life in a laptop computer. 
  356.        
  357.        Shelf life. While carbon zinc and alkaline batteries can hold 
  358.        their charge for years, nicads lose their charge relatively 
  359.        quickly. Although it varies, one quick rule of thumb is that a 
  360.        typical fully charged nicad will lose roughly 25% to 35% of full 
  361.        charge in one month. Then another 25% to 35% of THE CHARGE 
  362.        REMAINING in the next month. And so on and so on. Thus if you 
  363.        have several nicad batteries you want to charge for a trip you 
  364.        will be taking in a month, it is probably better to charge ALL 
  365.        OF THEM the final week just before the trip rather than the 
  366.        month before. For want of a better phrase, this might be called 
  367.        "shelf discharge" and is normal with all nicads and has to do 
  368.        with slight electrical leakage and chemical compound decay 
  369.        internally within a charged nicad which sits on a shelf. Cooling 
  370.        or refrigerating the nicad (but NOT freezing) will slow this 
  371.        "shelf discharge" since you are cooling and slowing the 
  372.        breakdown reaction. In fact ALL batteries will last longer when 
  373.        refrigerated until they are used. Simply store them in 
  374.        individual sealed plastic bags (to minimize moisture 
  375.        condensation) and place them in the refrigerator. 
  376.  
  377.        And so we conclude with a little summary....
  378.        
  379.        1) Do exactly what the manufacturer suggests for both 
  380.        discharging and recharging a nicad.
  381.        
  382.        2) Keep temperatures - especially during charging - cool or at 
  383.        normal room temperature.
  384.        
  385.        3) Never short circuit a nicad intentionally or accidentally.
  386.        
  387.        4) Try cycling a nicad through several COMPLETE discharge and 
  388.        recharge cycles if it "appears" to be faulty an incapable of 
  389.        operating your equipment for a normal three or four hour 
  390.        operating period. 
  391.        
  392.        5) Remove nicads from charging circuits or discontinue charging 
  393.        when full charge has been reached. 
  394.        
  395.        6) Watch for white flaky corrosion deposits on the upper edge of 
  396.        the cell near the pressure vent this can mean impending cell 
  397.        failure and electrolyte loss.
  398.        
  399.        7) Dispose of permanently defective nicads properly - contact 
  400.        the manufacturer for instructions since cadmium is a dangerous 
  401.        toxic metal and has been banned from many dump sites. Try 
  402.        calling your local city hall and ask who can answer a question 
  403.        about cadmium metal waste disposal. 
  404.        
  405.        8) When the nicad battery power begins to drop near the end of a 
  406.        discharge cycle it will drop VERY QUICKLY due to the rapid 
  407.        characteristic dropoff of nicads. Prepare for laptop shutdown 
  408.        quickly. 
  409.        
  410.        9) Cycle your nicads through a FULL DEEP discharge and FULL 
  411.        COMPLETE recharge frequently - they will last LONGER before you 
  412.        must dispose of them and deliver MORE power when used. 
  413.        
  414.        10) Infrequently used nicads should be charged and discharged at 
  415.        least once or twice every two or three months to prolong their 
  416.        usable lifetime before permanent failure.
  417.        
  418.        11) If your nicads are stated by the manufacturer to be quick 
  419.        charge type, you can probably prolong their life by slow or 
  420.        trickle charging them (if your charger provides that option) 
  421.        since you will minimize heat and gas buildup within the cell. 
  422.        Just because they can be quick charged does not mean they MUST 
  423.        be quick charged. Nicads last longer and deliver more power when 
  424.        not driven to extremes of temperature or overcharging. 
  425.        
  426.        Tutorial finished. Be sure to order your FOUR BONUS DISKS which 
  427.        expand this software package with vital tools, updates and 
  428.        additional tutorial material for laptop users! Send $20.00 to 
  429.        Seattle Scientific Photography, Department LAP, PO Box 1506, 
  430.        Mercer Island, WA 98040. Bonus disks shipped promptly! Some 
  431.        portions of this software package use sections from the larger 
  432.        PC-Learn tutorial system which you will also receive with your 
  433.        order. Modifications, custom program versions, site and LAN 
  434.        licenses of this package for business or corporate use are 
  435.        possible, contact the author. This software is shareware - an 
  436.        honor system which means TRY BEFORE YOU BUY. Press escape key to 
  437.        return to menu. 
  438.                                            
  439.  
  440.  
  441.        
  442.