8-900-374-94-44
[email protected]
Slide Image
Меню

Зарядка li ion: Как заряжать литий-ионные аккумуляторы

Содержание

Как заряжать литий-ионные аккумуляторы

Li-ion аккумуляторы в последнее время широко используются в самых различных устройствах – от электрических автомобилей до смартфонов и игрушек. Учитывая, что такие элементы питания чрезвычайно требовательны к уровню напряжения при зарядке, важно использовать штатные зарядные устройства. Если вы хотите, чтобы любой аккумулятор служил вам максимально долго, требуется придерживаться при его зарядке нескольких простых правил. Каковы эти правила для литий-ионных аккумуляторов, мы и расскажем в этой статье.

В первую очередь важно понимать, что современные литий-ионные аккумуляторы существенно отличаются от более распространенных ранее кадмиевых или литий-металлогидридных элементов питания – как нюансами самого процесса подзарядки, так и особенностями эксплуатации и хранения. А значит следует забыть те рекомендации, которые были усвоены Вами ранее относительно предшественников Li-ion аккумуляторов, и усвоить новые. 

Правильная зарядка литий-ионных аккумуляторов.

Если речь идет о новом аккумуляторе, перед использованием в любом устройстве его нужно зарядить. Что касается аккумуляторов данного типа для электровелосипедов и других средств электротранспорта, то самой распространенной ошибкой при первой эксплуатации аккумуляторов является их использование непосредственно после покупки. Начинающие драйверы часто считают, что АКБ продаются в заряженном виде. Это действительно так – производители заряжают аккумуляторы, однако только наполовину, и без первой полноценной зарядки емкость и срок службы АКБ снижается.

Другой важный момент – не рекомендуется доводить аккумулятор до полного разряда. После каждой даже самой непродолжительной поездки на электросамокате или на электровелосипеде аккумулятор следует подзарядить. Если Вы усвоите данное правило, то сможете значительно увеличить срок жизни АКБ. Таким образом, сразу же после разрядки литий-ионного аккумулятора его необходимо поставить на подзарядку.

К сожалению, часто неквалифицированные продавцы рекомендуют покупателям довести аккумулятор до полного разряда после первого заряда. Категорически не рекомендуем делать это – так вы рискуете столкнуться с внезапным выходом новой АКБ из строя. Возможно, нерадивые продавцы дают такую рекомендацию из корыстных побуждений -ведь когда аккумулятор выйдет из строя вам потребуется купить новый.

Литий-ионные АКБ очень чувствительны к высоким температурам, поэтому старайтесь не допускать их чрезмерного нагрева. При эксплуатации аккумулятора при температуре в пределах +25 градусов достигается максимальный ресурс и наибольшая отдача тока. Поэтому следите за тем, чтобы аккумулятор не оставался долго под солнцем и избегайте хранить АКБ в помещении, где температура выше указанного максимума.

В том случае, если литий-ионный аккумулятор продолжительное время находился на холоде, перед зарядкой его необходимо прогреть до комнатной температуры. Заряжать АКБ сразу после нахождения на морозе нельзя. Такие резкие температурные колебания могут нанести аккумулятору непоправимый вред.

И последняя важная рекомендация: при длительном перерыве в эксплуатации аккумулятор лучше хранить в холодном месте – зимой, к примеру, на неотапливаемом балконе или в гараже. Это продлит срок его жизни.

Сам процесс зарядки Li-ion аккумулятора не представляет сложности – необходимо сначала присоединить его к штатному устройству для зарядки, а потом соединить устройство с электрической сетью. После того, как полный заряд будет получен, просто отключите аккумулятор от ЗУ.

Перейти в раздел Li-ion аккумуляторов

Как заряжать литиевый аккумулятор: виды зарядных устройств

Время прочтения: 5 мин

Дата публикации: 11-08-2020

На данный момент, в зависимости от сферы применения, наиболее популярными являются два вида аккумуляторных батарей: литиевые и свинцово-кислотные. Свинцовые аккумуляторы постепенно теряют популярность, так как не отличаются высокой плотностью энергии и длительным ресурсом. Если требуется максимально компактный источник питания, всегда выбор падает именно на литиевые АКБ.

Как и в случае со свинцово-кислотными аналогами, литиевые аккумуляторные батареи делятся на множество типов. Наиболее распространенными являются литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-pol). Именно они используются в мобильных гаджетах и даже в электрокарах. К примеру, в Tesla model S установлено более 7 тысяч литий-ионных аккумуляторов Panasonic Li-ion NCR18650B.

Большая часть техники, где используются литиевые аккумуляторы, имеют встроенные механизмы зарядки, поэтому пользователю требуется лишь подключиться к электросети. В иных случаях заряд требуется осуществлять самостоятельно. Чтобы аккумулятор служил долго, его требуется правильно заряжать.

Как заряжать литиевый аккумулятор, чтобы ему не навредить? Несмотря на очевидность, попробуем разобраться, чем заряжать литиевый аккумулятор можно, а чем - нельзя.

 

Что надо знать об аккумуляторе

Процесс заряда всегда зависим от того, какой аккумулятор заряжается. Нельзя одинаковым режимом пополнять заряд разных по характеристикам и типам моделей.

Если обобщить, то приблизительно подобрать правильный режим заряда можно при наличии данных о типе аккумулятора, его емкости и напряжении.

  • Тип АКБ. Почему важно знать тип? Достаточно сравнить номинальное напряжение литий-титанатного и литий-ионного аккумулятора. 2,4В и 3,7В соответственно. Нетрудно догадаться, к каким последствиям может привести заряд литий-титанатной батареи неким абстрактным зарядным устройством для литиевого аккумулятора, которое предназначено именно для Li-ion.
  • Емкость АКБ. Данный параметр заряжаемого аккумулятора важен из-за того, что ток, как правило, подбирается в процентном соотношении к номинальной емкости. Литий-ионные аккумуляторы, например, не рекомендуется заряжать током выше, чем 0,5С-1С (ток, равный 50% и 100% соответственно по отношению к емкости в ампер-часах). Этот показатель может значительно меняться от модели к модели. Яркий тому пример - литий-титанатные АКБ, некоторые модели которых позволяют зарядку токами, в сотни раз превышающими номинальную емкость.
  • Напряжение АКБ. Тип литиевого аккумулятора говорит лишь о напряжении одной ячейки или отдельного элемента питания, состоящего из одной ячейки. Тем не менее, для выбора зарядного устройства или подходящего режима на уже имеющемся ЗУ, надо знать суммарное напряжение всей цепи, так как оно может быть многократно нарощено путем последовательного соединения ячеек. В уже готовых аккумуляторах на основе множества ячеек напряжение всегда указано в маркировке.

Как зарядить АКБ

Нередко пользователи интересуются в сети, как заряжать литиевый аккумулятор мотоцикла. Учитывая, что литиевый АКБ для мотоцикла - это устройство фабричное, а не самодельное, вся важная информация, в том числе и ток заряда, обычно размещена на бирке. Другое дело - это когда имеется элемент питания, собранный из одной или множества ячеек, в том числе из упомянутых ранее аккумуляторов panasonic.

Важно учитывать наличие в аккумуляторе или в схеме защиты в виде BMS. BMS - это контроллер, который выполняет сразу множество функций. Он может защищать элементы питания от опасных значений напряжения и тока, балансировать элементы на последних стадиях заряда, а также осуществлять регулировку подаваемого напряжения. Зарядка литий-ионных аккумуляторов напрямую может представлять опасность для АКБ, особенно если используется кустарное ЗУ. Применять кустарные приспособления как на основе трансформатора с диодным мостом, так и на основе переделанных компьютерных блоков питания не рекомендуется даже для свинцово-кислотных АКБ.

Если по какой-то причине в литиевом аккумуляторе отсутствует BMS, на ЗУ требуется выставить напряжение, являющееся максимальным для данного типа батарей. К примеру, литий-ионные АКБ при полном заряде выдают 4,2В на одну ячейку, а LiFePO4 - 3,65. Если ток, при этом, превышает 0,5С, рекомендуется его ограничить. Если ЗУ не позволяет регулировать ток, понизить его можно путем снижения выходного напряжения. Как только оно будет достигнуто, его можно поднять до конечного показателя, соответствующего полному заряду аккумулятора.

В случае с литиевыми аккумуляторами, оборудованных BMS (к счастью, таких большинство), все куда проще. Контроллер попросту не допустит подачу опасных номиналов тока и напряжения. Единственное исключение - это когда пользователь самостоятельно припаивает BMS к своей сборке батарей. В таком случае нельзя гарантировать, что контроллер настроен верно в соответствии с требованиями, предъявляемыми конкретным блоком аккумуляторов. В принципе, если пользователь делает сборку АКБ и самостоятельно припаивает контроллер - видимо, он знает, что делает.

Как бы там ни было, лучшим способом безопасно и на 100% зарядить аккумуляторную батарею любого типа - это использовать умное зарядное устройство, работающее в автоматическом режиме. Такое устройство не просто выдает постоянный ток с определенным номиналом напряжения, а изменяет режим заряда в зависимости от стадии. Также важным преимуществом являются многочисленные настраиваемые параметры, позволяющие использовать один и тот же прибор с абсолютно разными сборками аккумуляторов.

К выбору зарядного устройства следует относиться максимально серьезно, так как во многом от качества заряда зависит срок службы аккумулятора. И если аккумулятор состоит из множества ячеек с высокой суммарной стоимостью, то даже небольшое увеличение срока службы экономит заметную сумму.

Способы заряда Li-ion аккумуляторов и батарей на их основе

В данной статье мы не будем касаться самих электрохимических процессов, протекающих в Li-ion аккумуляторе, а рассмотрим все с точки зрения конечного пользователя. Для потребителя и разработчика электроники любой аккумулятор выглядит как некий двухполюсник, имеющий два контакта, выходящих из корпуса. Такой элемент схемы имеет ряд числовых характеристик, графиков зависимости и т. д., и практически ничем не отличается по количеству приводимых в документации параметров от, например, диода. С этой точки зрения мы и будем рассматривать способы заряда этих устройств.

Литий-ионные аккумуляторы производят как в корпусном (например, типоразмера 18650), так и в ламинированном исполнении (гель-полимерные), электроды и электродные массы которых помещены в герметичный пакет из специальной пленки. Электрохимические процессы протекают одинаково как в тех, так и в других, и все, сказанное ниже, в равной степени относится ко всем аккумуляторам вне зависимости от их исполнения.

Сразу отметим, что классический способ заряда Li-ion аккумулятора делится на два этапа. Первый — это заряд постоянным током, второй — заряд при постоянном напряжении (рис. 1).

Рис. 1. Этапы заряда Li-ion аккумулятора:
I — ток;
U — напряжение;
t — время

На рис. 1 можно увидеть этап 1′. Он необходим, когда напряжение на аккумуляторе ниже некоторого установленного значения (например, 2,5 В). При долгом хранении аккумулятора вследствие саморазряда и/или потребления системы обеспечения функционирования (СОФ) напряжение на аккумуляторе может упасть ниже, к примеру, 2,5 В (СОФ входит в состав аккумуляторной батареи, даже если она состоит из одного аккумулятора). Малый ток заряда обеспечивает постепенный выход активных электродных материалов на заданные уровни напряжения, при которых они штатно функционируют (например, при более 2,8 В), после чего включается основной ток заряда. Данный режим призван обеспечить более долгую жизнь аккумулятора при выходе его из заданного диапазона напряжений. Также этап 1′ применяется при заряде аккумулятора при низких температурах, например ниже +5 °C — для «разогрева» электродных масс.

Первоначальный заряд малым током используется и для обеспечения безопасности аккумулятора при заряде. Если внутри аккумулятора произошло микрокороткое замыкание (или просто КЗ), то по истечении некоторого времени заряда напряжение на нем не будет возрастать. Этот факт может свидетельствовать о неисправности. Если начать заряд достаточно большим током сразу, то при КЗ может произойти сильный разогрев аккумулятора и его разгерметизация. Хотя СОФ имеет температурный датчик, при быстром заряде и относительно большой теплоемкости аккумулятора и высоком конечном значении теплопроводности разгерметизация может произойти немного раньше, чем СОФ отключит аккумуляторы от заряда. Функция заряда малым током часто возлагается не на зарядное устройство, а на СОФ батареи. В схеме СОФ это может быть дополнительный MOSFET (управляющий зарядом), включенный через последовательный резистор, ограничивающий ток, подключенный к аккумуляторной батарее (АБ). Необходимо отметить, что данный этап часто исключают из цикла заряда батареи, начиная заряд сразу с этапа 1.

На первом этапе заряд осуществляется номинальным током, который измеряется в долях от номинальной емкости аккумулятора (Сн). Например, емкость аккумулятора 10 А·ч, номинальный ток заряда 0,2Сн, то есть 2 А — пятичасовой режим заряда. Понятно, что потребитель хочет, чтобы заряд осуществлялся как можно быстрее — в течение 1–2 ч, что соответствует 0,5–1Сн. Такой режим заряда обычно называют ускоренным. Для нормальной работы аккумулятора номинальный ток заряда лежит в пределах 0,2–0,5Сн, а ускоренный, как уже говорилось, — в диапазоне 0,5–1Сн. Каким максимальным током можно заряжать тот или иной аккумулятор, можно узнать в документации на конкретный тип устройства. График роста напряжения на аккумуляторе, показанный на рис. 1, носит линейный характер (для простоты восприятия).

Чем выше ток заряда (или меньше время, отводимое на полный заряд), тем меньше аккумулятор «наберет» емкости и тем пристальней необходимо следить за разогревом, чтобы его температура не вышла за установленный предел. При большом токе заряда существенно продлевается время 2-го этапа (рис. 1), когда ток постепенно падает до определенного предела. Так, например, при токе заряда 1Сн и отводимом на заряд времени в 1 ч аккумулятор достигнет своего конечного напряжения за 45–50 мин. Любой аккумулятор имеет внутреннее сопротивление (включающее в себя несколько составляющих — омическую, диффузионную и т. д.). Падение напряжения на внутреннем сопротивлении при большом токе заряда приведет к более быстрому достижению конечного зарядного напряжения. При достижении конечного напряжения заряд перейдет ко второму этапу — падающему току при постоянном напряжении. За оставшееся время 10–15 мин. аккумулятор «наберет» еще 0,1–0,15Сн, что в сумме составит не более 0,85–0,95Сн. При более коротком режиме заряда и лимите времени зарядная емкость будет еще меньше. Можно учитывать внутреннее сопротивление аккумулятора и ввести зависимость конечного зарядного напряжения от тока заряда, но это требует проработки для конкретного типа аккумуляторов и более сложных зарядных устройств. Обычно разработчики не используют данные зависимости при проектировании простых устройств.

Ускоренный и номинальный режим заряда необходимо чередовать, особенно при заряде батарей, состоящих из нескольких последовательно соединенных аккумуляторов. При номинальном токе заряда возрастает его продолжительность. Увеличение времени заряда способствует лучшей балансировке аккумуляторов в батарее [1]. Чем больше время такой балансировки, тем лучше будут сбалансированы аккумуляторы по емкости и, в конечном итоге, батарея отдаст емкость, близкую к номинальной при разряде. Обычно системы баланса делаются пассивными, и работают они только при заряде батареи. Заряд номинальным режимом особенно рекомендуется после длительного хранения батареи, когда степень заряженности отдельных аккумуляторов будет сильно зависеть от токов саморазряда, который у разных аккумуляторов разный, даже при специально подобранных аккумуляторах в одной батарее.

Второй этап — заряд при постоянном напряжении и падающем токе. Ток на этом этапе падает до определенного значения. Например, процесс считается завершенным при установлении тока заряда менее 0,1–0,05Сн (в нашем примере <100 мА). Как было показано выше, продолжительность фазы падающего тока зависит от тока заряда. Для номинального режима заряда (0,2Сн) она длится обычно не более нескольких десятков минут, при этом аккумулятор набирает до 0,1–0,15Сн. Время заряда падающим током также зависит от степени деградации аккумулятора в процессе эксплуатации (иначе говоря, от срока службы и количества циклов заряд/разряд). Чем больше деградация, тем длиннее фаза падающего тока.

После окончания заряда напряжение на аккумуляторе падает на 0,05–0,1 В (рис. 1), приходя к своему равновесному состоянию. Держать аккумулятор продолжительное время (десятки часов) при конечном напряжении (например, 4,2–4,3 В) не рекомендуется из-за несколько повышенной в этом состоянии скорости деградации электродных масс. Поэтому после фазы падающего тока желательно прекратить заряд.

Производители электроники предоставляют уже готовые схемотехнические решения, реализующие описанный выше алгоритм заряда, выполненные в одном корпусе микросхемы — например МАХ1551, МАХ745 и т. д. Одна из популярных микросхем, применяемых для заряда Li-ion аккумуляторов (мобильных телефонов, фототехники и т. д.) от сети постоянного тока 12–24 В, — MC34063 (рис. 2). На рис. 2 выходное напряжение MC34063 — 5 В, но его можно пересчитать на конечное зарядное напряжение аккумулятора 4,1–4,3 В, варьируя резисторами R1, R2. Дополнительный выходной фильтр для уменьшения пульсаций можно исключить.

Рис. 2. Структурная схема МС34063, реализующая алгоритм заряда Li-ion аккумулятора

Часто возникает желание осуществлять заряд устройством, на выходе которого есть только постоянный ток (без фазы постоянного напряжения в конце заряда). Это позволяют сделать, к примеру, зарядные устройства от никель-кадмиевых аккумуляторных батарей. Рассмотрим этот способ.

Необходимо отметить, что литий-ионная аккумуляторная батарея подключается через СОФ к зарядному устройству (ЗУ), имеющему внутренние ключи (для батарей небольшой емкости до 40–60 А·ч это обычно MOSFET). Поэтому прежде, чем подключать ЗУ к АБ, необходимо убедиться, что выходное напряжение ЗУ (напряжение разомкнутой выходной цепи) не слишком высокое, чтобы не вывести из строя коммутаторы заряда АБ. Сам алгоритм заряда можно осуществить с помощью постоянного тока (этап 1) и фазы импульсов (этап 2), показанной на рис. 3. Фаза импульсов заменяет фазу падающего тока (также этап 2), показанную на рис. 1.

Рис. 3. Заряд постоянным током с прерывистой фазой зарядного тока:
I — ток;
U — напряжение;
t — время

Критерием остановки заряда могут служить напряжение на аккумуляторе или время импульса тока (Tимп), за которое напряжение на аккумуляторе достигает конечного зарядного напряжения (например, 4,2 В). При каждом импульсе напряжение на аккумуляторе будет повышаться, как показано на рис. 3. Как только оно достигнет уровня полностью заряженного аккумулятора с фазой падающего тока (рис. 1, примерно 4,1–4,15 В), заряд можно прекращать. Измерение напряжения на аккумуляторе необходимо производить через некоторое время после завершения зарядного импульса. Этот критерий окончания заряда при фазе импульсного тока Li-ion аккумулятора в большей степени справедлив для аккумуляторов на основе кобальтата лития (так называемые кобальтатные аккумуляторы). Об отличительных особенностях этих типов аккумуляторов мы поговорим далее.

Если ориентироваться на Tимп, то как только длительность импульса, в течение которого напряжение на аккумуляторе достигнет своего конечного значения, будет достаточно маленькой, заряд можно прекращать. Длительность можно считать маленькой, если аккумулятор за это время наберет менее 0,2–1% от своей емкости Сн. Например, при емкости аккумулятора 10 А·ч — 0,5% от Сн составит 0,05 А·ч. При токе заряда 5 А расчетная длительность зарядного импульса составит порядка 30 с.

Реализацию данного алгоритма заряда можно возложить на СОФ АБ, если она спроектирована таким образом, что можно изменять алгоритм ее функционирования [2]. Тогда микроконтроллер СОФ может отслеживать напряжение на аккумуляторе или производить вычисления времени импульса и останавливать заряд, размыкая окончательно зарядный ключ.

Еще один способ — заряд ступенчатым током (рис. 4).

Рис. 4. Заряд ступенчатым током:
I — ток;
U — напряжение;
t — время

Для упрощения ЗУ обычно заряд осуществляют в два этапа: номинальный ток (этап 1) и ток вдвое меньше номинального. То есть существует всего две ступени заряда. На рис. 4 для наглядности показано три ступени. И действительно, если есть возможность уменьшать ток ЗУ дискретно не в два раза, а на меньшую величину, то заряд будет осуществляться почти так же, как показано на рис. 1, а на этапе 2 напряжение на аккумуляторе будет колебаться около конечного напряжения заряда.

Помимо аккумуляторов с катодом из кобальтата лития, в мире все большую популярность набирают железо-фосфатные аккумуляторы (литированный фосфат железа). Железо-фосфатные аккумуляторы хоть и имеют меньшие удельные характеристики (Вт·ч/кг, Вт·ч/дм3), но из-за меньшей стоимости (при той же емкости) становятся все более и более популярными. На рис. 5 представлены зарядные кривые двух типов аккумуляторов.

Рис. 5. Графики заряда при различных температурах аккумуляторов с материалом положительного электрода:
а) кобальтат лития;
б) литированный фосфат железа

Заряд производился током 0,5Сн. Из графиков видно, что аккумуляторы с положительным электродом на основе кобальтата лития имеют почти линейную характеристику роста напряжения от степени заряженности. Характеристика аккумуляторов с положительным электродом на основе литированного фосфата железа почти горизонтальна и только в конце заряда резко возрастает, а также существенно зависит от температуры. Конечное напряжение заряда у железо-фосфатных аккумуляторов обычно ниже и составляет 3,7–3,9 В. После заряда (фазы падающего тока) напряжение даже у заряженного на 100% такого аккумулятора при нормальных условиях упадет до 3,35–3,45 В. Поэтому не будет наблюдаться такого роста напряжения, как показано на рис. 3, оно будет снижаться после каждого импульса заряда до указанного уровня (3,35–3,45 В). Критерием оценки заряженности аккумулятора в этом случае будет только Tимп, если заряд ведется прерывистой фазой тока (рис. 3).

Существуют Li-ion аккумуляторы с положительным электродом на основе никель-кобальт-алюминия и никель-кобальт-марганца. Зарядные зависимости у них ближе к зависимостям кобальтатных (рис. 5а). В любом случае при выборе и эксплуатации конкретного устройства необходимо внимательно ознакомиться с рекомендациями и документацией производителя. Заряд таких аккумуляторов также производится в два этапа.

Фаза постоянного напряжения (падающий ток) на рис. 5 отражена на представленных зависимостях в виде горизонтальной площадки в конце заряда. По величине этой площадки можно судить о емкости, набранной аккумулятором на этом этапе. Приведем экспериментальные данные заряда аккумулятора, иллюстрирующие способы, рассмотренные выше (рис. 6).

Рис. 6. Изменение напряжения литий-железо-фосфатного аккумулятора емкостью 240 А·ч в процессе заряда токами от 0,5 до 3Сн

На рис. 6 представлены зарядные кривые аккумулятора емкостью 240 А·ч с положительным электродом на основе литированного фосфата железа. Зарядные зависимости нормированы относительно емкости аккумулятора, а не времени. Заряд осуществлялся токами 120 А (0,5Сн), 240 А (1Сн), 480 А (2Сн) и 720 А (3Сн) до напряжения 3,7 В (при токах 0,5, 1 и 2Сн) и до 3,8 В (при токе 3Сн), при нормальных климатических условиях и температуре +20 °C. На графике видно, что при токе заряда 0,5Сн фаза падающего тока (при постоянном напряжении) составляет 12–15 А·ч (плоская площадка в конце графика). При токе 1Сн это уже 35–40 А·ч. При токе заряда 2Сн емкость составила всего около 190 А·ч при достигнутом напряжении 3,7 В, затем ток уменьшили в два раза (провал по напряжению), после чего аккумулятор еще зарядился на 35–40 А·ч. При токе заряда 3Сн напряжение отключения было повышено до 3,8 В, емкость составила всего около 180 А·ч, фаза падающего тока при постоянном напряжении отсутствует. На графике видно также, что при токе заряда 3Сн произошел некоторый провал по напряжению в середине кривой заряда. Это связано с повышением температуры аккумулятора и, как следствие, понижением внутреннего сопротивления (при повышении температуры возрастает скорость электрохимических реакций).

 

Выводы

Существует несколько способов заряда Li-ion аккумуляторов, но все они отражают сущность двухэтапного процесса: заряд постоянным и падающим током при постоянном напряжении. При заряде аккумуляторов или батарей током 0,5–1 Сн и более фаза падающего тока обязательна для увеличения принятой аккумулятором зарядной емкости. При заряде током 0,1–0,3 Сн фазой падающего тока можно пренебречь, так как за 3,5–10 ч заряда аккумулятор и так зарядится почти на всю емкость.

Как правильно заряжать литий-ионные и литий-полимерные

Как, по вашему мнению, правильно заряжать литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы в гаджетах, электроинструментах и электромобилях?


  1. 1. Часто подключать к заряднику и заряжать понемногу;
  2. 2. Заряжать как можно реже и стараться на максимум до 100%.

Теме сто лет в обед и только ленивое околотехническое издание не написало заметку, как зарядить телефон, чтобы долго работал. Предлагаем поставить точку с опорой на научные факты.



Как правильно заряжать батарею — часто и понемногу или редко и на максимум?

С точки зрения бытового использования вы можете забыть об этом вопросе и делать так, как вам лично удобнее.


По плану производителей, важнее всего максимальный комфорт пользователя. То есть при эксплуатации не стоит даже задумываться о технических нюансах в течение всего запланированного срока службы — от двух до пяти лет в среднем для большинства моделей портативной электроники.


Гаджеты защищены от неправильной зарядки

С телефонами и электромобилями, ноутбуками и планшетами, смарт-часами и прочими гаджетами на литий-ионных и литий-полимерных батареях для пользователя не должно быть никакой разницы — часто заряжать или редко, понемногу или на максимум.

Мы в своё время пошли немного дальше и сделали узкоспециализированные рекомендации, как зарядить телефон, чтобы долго работал. Каждый совет имеет за собой инженерные исследования, опубликованные в Battery University и на прочих профессиональных профильных сайтах вроде All-Electronics.de или Energy University.

В этих рекомендациях есть уточнения, которые помогут немного продлить срок службы аккумуляторов и уберечь их от неполадок.



1. Новый телефон

Если вы только что купили свежую модель смартфона (или планшета — у них одинаковая химия в аккумуляторе), то уберечься от ошибок поможет специально проработанная инструкция. Главное запомнить, что любой новый гаджет на Li-Ion- и Li-Poly-батареях первым делом заряжают, а не разряжают.




2. Новый аккумулятор в телефоне

После замены аккумулятора правила немного отличаются, ведь процесс изготовления, тестирования и поставки элемента питания вне корпуса телефона уже другие и здесь тоже есть на что обратить внимание. Например, не лишним будет «потренировать» двумя-тремя циклами заряд-разряд.




3. Все гаджеты на Li-Ion и Li-Poly

Для прочей мобильной электроники в целом действуют те же самые «телефонные» правила: для смарт-часов, для квадрокоптеров, для наушников, всевозможных компонентов умного дома (тот самый интернет вещей или IoT, о котором все говорят) и других гаджетов. На всякий случай собрали все эти знания в одном месте.




4. Чем заряжать, как и когда?

В этой статье мы разобрали массу популярных вопросов, которые вы нам задаёте в группе Neovolt Вконтакте о зарядниках. Можно ли пользоваться телефоном во время зарядки, есть ли вред от быстрой зарядки, какой адаптер выбрать, какой для машины от USB-прикуривателя и так далее. Этот материал мы часто перечитываем сами, когда что-то забывается.




5. Зарядка по ночам без присмотра

Заслуживающая отдельного внимания тема, которая волнует и нас самих. Как понять ответ многих инженеров и специалистов на эту тему: «Можно, но не нужно». То есть можно оставить, но чем тогда закончится, если «не нужно» так делать? Прояснили, чем всё грозит при недолгом оставлении или на пару недель, и почему производители разрешают надолго оставлять подключённый к розетке телефон.




6. До скольки процентов заряжать?

Если честно, то эта статья идеализирована — как раз о максимальной (теоретической) заботе об аккумуляторе, когда вы сможете продлить его срок службы так сильно, как никто другой в этом мире. Общее правило зарядки 20%-80% здесь расписано по пунктам.




7. Так ли страшна разрядка в ноль?

Пожалуй, самый популярный вопрос за всю историю нашей компании Neovolt, которой, между прочим, уже больше 12 лет. Насколько опасно разряжать гаджеты до полного выключения (или даже «потом включить, он ещё немного поработает и опять выключится»)? На самом деле неопасно. В каких случаях это полезно, в каких ни в коем случае нельзя допускать — всё это имеет не домыслы, не переписано с интернета, а основано на научных фактах.




8. Постоянно держать ноутбук на зарядке

Рекомендуем всем владельцам ноутбуков не держать их постоянно на зарядке в розетке. По возможности лучше вытаскивать батарею, когда она не нужна. В остальных случаях (например, нельзя или сложно извлекать аккумулятор) заряжайте и затем используйте батарею, не держите её всегда в состоянии «капельной дозарядки» — все подробности на примере макбуков, официальной позиции Apple и научных фактов, конечно же.




Что-нибудь может измениться с тем, как часто заряжать аккумулятор?

Да, может. В будущем процесс зарядки будет отличаться — учёные уже сейчас активно исследуют двумерные решёточные системы для понимания всех процессов и электрохимических свойств аккумуляторов. Они получают идеализированное и всё более точное представление о химических процессах внутри аккумулятора.

Сегодня электрохимические исследования «на коне». Ведь разработки в области накопления энергии сейчас особенно востребованы в концернах автомобилестроения, которые переходят к электромобилям.


Известно, что в аккумуляторах тепло распространяется и рассеивается. Но на сохранение энергии влияет и то, каким образом она доставляется, технически говоря, насколько точно «выравнивается доставка». И вот учёные выяснили, что доставка эффективнее всего при методе «реже и до максимума». Процитируем научную публикацию.



Учёные из Польской академии наук:

Мы заметили, что количество энергии, которое может хранить система, варьируется в зависимости от размера порции энергии и частоты её подачи. Наибольший показатель происходит, когда порции доставки энергии велики, но промежутки времени между их подачей также велики.

Интересно, что, оказывается, если мы разделим этот тип системы хранения внутри на отсеки или ячейки, то количество энергии, которая может храниться в такой разделенной батарее (если бы её можно было построить) увеличивается. Другими словами, три маленьких батареи могут хранить больше энергии, чем одна большая.

Мы в свою очередь хотели бы отметить, всё это верно при условии, что общее количество энергии, вводимой в систему, остаётся неизменным. То есть меняется только способ её доставки.


Исследование, надо сказать, носит теоретический (базисный) характер. До практики, как мы уже говорили в материале о мошенниках-учёных, пока ещё неблизко. Но вполне ожидаемо претерпит изменения фундаментальный принцип, с которым будут разрабатываться аккумуляторы для будущих гаджетов и программное обеспечения для управления ими.


→ Полная версия научной публикации Польской академии здесь.

Уже сейчас это исследование предлагает возможность зарядки электромобиля не за нескольких часов, а за чуть менее двадцати минут, предлагая тем самым значительное увеличение мощности таких батарей, не изменяя их объём. Достаточно просто изменив путь определения оптимальной периодичности подачи энергии.


Узнайте больше о батареях

Каких методов вы придерживаетесь при зарядке гаджетов? Поделитесь опытом длительного использования аккумулятора — напишите в комментарии или отправьте сообщение нам ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь в группе на новости из мира гаджетов, узнайте об улучшении их автономности и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.



Как правильно заряжать литий-ионный аккумулятор

Литий-ионные аккумуляторы сейчас чрезвычайно популярны. Больше 80% всех бытовых аккумуляторов являются литий-ионными. И для того, чтобы эти аккумуляторы служили верой и правдой долгое время, очень важно правильно с ними обращаться и правильно заряжать.

Как правило, литий-ионный аккумулятор представляет собой дуэт – собственно, саму аккумуляторную банку и присоединенную к ней плату защиты. Плата защиты предохраняет аккумулятор от перезарядки или чрезмерной разрядки. Также она ограничивает максимальный ток аккумулятора – следит, чтобы не было короткого замыкания. Все это очень важно, поскольку литий-ионный аккумулятор может очень драматично реагировать на перезарядку или чрезмерный ток (а еще на перегрев) – банально взрываться, нанося совершенно небанальные повреждения.

Тем не менее, вполне могут поставляться аккумуляторы без защиты – только банки. В этом случае подразумевается, что контроль степени заряда и тока будет осуществляться дополнительной электроникой, о которой должен позаботиться сам потребитель.

Литий-ионные аккумуляторы с защитой и без нее

Необходимо всегда обращать внимание на наличие защитной электроники при использовании литий-ионных аккумуляторов. Без схем защиты ни заряжать, ни использовать эти аккумуляторы нельзя! Поскольку в нештатных ситуациях химические процессы в аккумуляторах могут начать протекать чрезмерно бурно. Это может привести к разрыву аккумуляторной банки, воспламенению выделяющихся газов, электролита и, в итоге, к нехилому взрыву с пламенем и разбрасыванием вокруг горящих частей аккумулятора.

Сам процесс правильного заряда аккумулятора – это контролируемый и управляемый процесс. Вначале разряженный аккумулятор заряжается постоянным током 0.2 – 1 С (С – это емкость аккумулятора в ампер/часах). При достижении напряжения 4.0-4.1В (в зависимости от рекомендаций производителя) зарядка продолжается при постоянном напряжении до достижения 4.2В на элемент. Допустимое отклонение напряжения составляет всего +-0.05В. Для соблюдения этих режимов, безусловно, необходима соответствующая электроника. Как правило, это схемы, собранные на специализированных микросхемах. Хороший выбор – для заряда аккумуляторов использовать специализированные зарядные устройства. Также можно собрать зарядное устройство самостоятельно.

Литий-полимерные аккумуляторы заряжаются также, как и литий-ионные, поскольку по природе своей они очень похожи. В чем их основное различие - читайте в статье "Литий-полимерный аккумулятор - отличие от литий-ионного".

Лучший вариант – заряжать каждый аккумулятор отдельно. Кроме зарядных устройств, можно приобрести готовые платы-контроллеры для зарядки отдельных аккумуляторов. Например, на базе популярной микросхемы TP4056.

Зарядка одного литий-ионного аккумулятора

Миниатюрная плата (около 20х30 мм) позволяет заряжать литий-ионный аккумулятор от источника постоянного напряжения до 8В. Подойдет, в том числе, компьютерный USB. Два индикатора отображают ход заряда. Плата сама остановит зарядку при достижении напряжения 4.2В – с ее помощью можно заряжать и аккумуляторы без платы защиты.

Если используется несколько аккумуляторов одновременно, то возможны варианты. Для увеличения емкости при том же выходном напряжении батареи соединяют параллельно – плюс к плюсу, минус к минусу. Например, если взять два аккумулятора емкостью 2500 мАh и соединить их параллельно, то получится батарея емкостью 5000 mAh с выходным напряжением 4.2В. Заряжать такую батарею нужно также, как и отдельный аккумулятор, только это займет в 2 раза больше времени.

Если нужно повысить напряжение при сохранении емкости, аккумуляторы соединяют последовательно. Те же две банки из предыдущего примера, соединенные последовательно, дадут батарею с напряжением 8.4В и емкостью 2500mAh.

Ток зарядки последовательно соединенных аккумуляторов должен быть такой же, как и при зарядке одного аккумулятора, а напряжение соответствовать напряжению всей батареи – 4.2В умножить на количество последовательно соединенных элементов.

Когда аккумуляторы используются в связке, очень важно подбирать совершенно одинаковые банки – одного производителя и модели, одной степени свежести. В идеале – из одной партии. Дело в том, что разные аккумуляторы могут иметь немного отличающиеся емкости, напряжение и другие параметры. Соответственно, работать они будут неравномерно и быстрее выйдут из строя.

Правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы, соединенные последовательно, необходимо устройствами, которые имеют систему балансировки заряда каждого элемента. Строго говоря, и разряжаться такие батареи должны через аналогичные системы балансировки. Суть ее работы состоит в том, чтобы следить за параметрами каждого аккумулятора и останавливать зарядку всей батареи, если один из аккумуляторов будет уже заряжен полностью. Аналогично при разряде: если один из аккумуляторов полностью разрядился – отключается вся батарея. Это позволит избежать перезаряда/переразряда аккумуляторов и продлит срок их службы.

Контроллер заряда/разряда двух последовательно соединенных аккумуляторов может выглядеть так:

Зарядка двух последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов

Контакты P+ и P- платы служат как для подачи напряжения при зарядке, так и при снятии тока при разрядке батареи. Плата может использоваться с аккумуляторами без плат защиты.

Для зарядки трех последовательно соединенных аккумуляторов может подойти такая схема:

Зарядка трех последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов

Так же как и в предыдущем варианте, контакты Р+ и Р- используются как для подачи напряжения зарядки, так и для снятия питания при работе от аккумуляторов. Плата имеет систему балансировки, защиту от перезаряда/разряда и защиту от короткого замыкания. И также может использоваться с незащищенными аккумуляторами.

Похожая плата зарядки/разрядки имеется и для четырех последовательно соединенных аккумуляторов.

Зарядка четырех последовательно соединенных литий-ионных аккумуляторов

Большее количество последовательно соединенных аккумуляторов встречается достаточно редко. Чаще для увеличения мощности используют последовательно соединенные пары параллельно соединенных аккумуляторов. Например, батареи ноутбуков могут содержать три или четыре пары аккумуляторов.

Правильная зарядка аккумуляторов – совершенно необходимое условие для того, чтобы использование литий-ионных аккумуляторов было долговременным и эффективным. Уделите этому достойное внимание и аккумуляторы будут служить вам верой и правдой.

Заряжаем литий ионный аккумулятор правильно

Зарядное устройство для литий ионных аккумуляторов очень похоже на зарядное для свинцово- кислотных, за тем лишь исключением, что у Li-ion аккумуляторов значительно выше напряжение на каждой банке и более жёсткие требования к допускам по напряжению.

Банкой называют литий ионные элементы питания за из схожесть по форме на алюминиевую банку из-под прохладительных напитков (напр. coca-cola) Самым распространенным элементом такой формы является банка формата 18650. То есть 18 мм в диаметре и 65 мм в высоту.

В то время, когда для свинцово-кислотных аккумуляторов возможны некоторые неточности в установке граничных напряжений при зарядке, с литий-ионными все гораздо жёстче. Во врем заряда, когда напряжение на элементе возрастает до 4,2 вольта, должно прекращаться подача напряжения на элемент питания. Разрешенный допуск в напряжении всего 0,05 вольт.

Средний литий-ионный аккумулятор заряжается около 3 часов. Однако точное время зарядки, все же зависит от ёмкости аккумулятора.

Итак приведём несколько основных правил, используя которые можно продлить  срок использования li-ion аккумулятора в разы.

Использование оригинальных зарядных устройств

При изготовлении литий ионных аккумуляторов, их производители довольно серьёзно относятся к зарядным устройствам. Никто не даст вам гарантии, что зарядные устройства сомнительного происхождения не погубят Ваши аккумуляторы. Оригинальные же зарядки 100% выдают только необходимое напряжение и правильно заканчивают зарядку каждого элемента питания. Ведь, если в конце процесса зарядки напряжение будет затухать со значительным опозданием, это может привести к перезарядке элемента, что в свою очередь скажется весьма негативно на химической системе литий-ионного аккумулятора и будет потеряна часть емкости.

Хранить аккумуляторы лучше с малым зарядом (30-50%)

Если Вам приходится оставлять li-ion аккумуляторы на продолжительное время бездействовать, то лучше их вынуть из устройства (фонаря, Р/У машинки и т.д.).

Очень вероятно, что полностью заряженный аккумулятор при продолжительном хранении потеряет часть своей ёмкости. Полностью разряженный или при минимальном уровне, хранящийся аккумулятор, может «умереть» навсегда. Т.е. восстановить его так и не удастся после длительной спячки. Исходя из этого и рекомендуется держать 50% заряд у хранящихся, длительное время li-ion аккумуляторов.

Не допускайте перезаряда и полного разряда аккумулятора.

Учитывая химическую особенность литийевых аккумуляторов, весьма не рекомендуют, как  полностью разряжать, так и чрезмерно перезаряжать такие аккумуляторы.

Как известно, у li-ion аккумуляторов, полностью отсутствует «эффект памяти«, исходя из этого рекомендуется разряжать аккумулятор до 10-20% а заряжать до 80-90, дабы не повредить химическую систему элемента.

Эффект памяти, в основном свойствен только Никель-Кадмиевым аккумуляторам.

А означает он некую потерю емкости аккумулятора после неправильного режима зарядки, в частности дозарядки при не полностью разрядившемся аккумуляторе. Проще говоря Ni-Cd нельзя начинать заряжать, до того, как он разрядится до допустимо низкого уровня. Нарушая данное правило, емкосли никель кадмиевого аккумулятора несколько уменьшается.

Литий ионные аккумуляторы, лучше начинать заряжать не дожидаясь их полного разряда. Таким образом можно значительно продлить срок жизни элемента питания.

Вышеуказанное правило относится только к незащищённым аккумуляторам. Литиевые аккумуляторы с защитой не страдают от пере или недозаряда. Встроенная плата защиты, отсекает чрезмерное напряжение (более 3,7 вольт на банку) при зарядке и отключает аккумулятор, если уровень заряда упал до минимального, обычно до 2,4 вольт.

Li-Ion аккумулятор не любит холода и жары.

Оптимальной температурой для литиевых аккумуляторов, является от +10°С до +25°С. Li-ion аккумуляторы чувствительны к большим перепадам температур. При отрицательной температуре, время работы аккумулятора сильно сокращается, хим. система элемента может сильно пострадать и даже разрушиться. Наверняка, вы замечали, как заряд мобильного телефона, на морозе резко начинает стремиться к минимуму, хотя ранее, в тепле, заряд был полным.

Нужно заметить, что литий-ионные аккумуляторы, весьма неприхотливы. При должном уходе, они проживут от 3 до 5 лет исправной службы хозяину. Так же нужно знать что такие аккумуляторы имеют свой срок использования от даты производства, а это значит, что заранее покупать запасные аккумуляторы не всегда хорошая идея. Обычно считается нормальным покупать литий-ионки не позднее 2-х лет после производства.

По поводу ёмкости литий ионных аккумуляторов. Банки самого распространенного формата 18650, могут иметь реальную емкость до 3500 мАч. При цене не менее 3-4 долларов за шт. Аккумуляторы, ёмкостью в 9900 мАч по цене $2 за шт. — это как минимум смешно. В действительности там будет 3000 мАч. если повезет.

Бренд против Нонейма

Стоит сказать несколько слов о производителях литий ионных аккумуляторов.

Практически все аккумуляторы имеют название (Бренд изготовителя), но это может быть «Panasonic» в котором реальная емкость будет меньше на 50 мАч из 3000 мАч или какой ни-будь «ХуньСюньПродакшн», в котором не хватает 1900 мАч из 3000 мАч. И это не смешно, а реальные цифры.

Так вот нормальными (честными) брендами среди аккумуляторов без защиты, считаются:

  • Panasonic,
  • Sony,
  • Sanyo,
  • Samsung,
  • LG,

Напротив, такие бренды, как:

  • UltraFire,
  • SingFire,
  • Bailong,
  • TrastFire

имеют далеко не точную указанную емкость, зато стоят в 2 — 3 раза дешевле.

Среди достойных установщиков защиты на литий-ионки стоит отметить:

  • Keeppower;
  • Efest;
  • Nitecore

Купить литий ионные аккумуляторы, например, формата 18650 можно как в местных интернет магазинах, так и у китайцев на прямую.

И пожалуйста не обольщайтесь на низкую цену и банки аккумуляторов в прозрачной термо-усадке. Из опыта, могу сказать, что в таком варианте используются в основном оригинальные банки но совсем никудышние платы защиты. 

Как правильно заряжать полимерный аккумулятор

Литий полимерный отличается от литий ионного аккумулятора только лишь консистенцией электролита. Более подробнее читайте здесь. В остальном же, литий-полимерный поддается тем же правилам, что и литий-ионный аккумулятор.

Обзор недорогой зарядки для Li-Ion-аккумуляторов Basen BC2

Если вы хотите купить недорогое и надежное зарядное устройство с Aliexpress, то скорее всего вы купите какую-то модель от Liitokala.  Это будет совершено оправданный выбор — литокаловские зарядки заряжают как литий-ионные аккумуляторы, так и обиходные АА\ААА никели.  Но вдруг вам припрет купить ЗУ для двух li-ion аккумуляторов за минимальную цену? Или вам надо заряжать одновременно два 21700 аккумулятора, и опять-таки вы не хотите тратиться на XTAR или Liitokala-402 (в отличии от 1- и 4-слотовых, двуслотовая литокала по каким-то причудам производителя не вмещает в себя 2170).

И вот тут-то на передний план выходит Basen.  Вроде бы и не подвал, с какими-то промоматериалами и неплохим внешним видом. Но все же, если смотреть на вещи объективно, вообще не известный бренд. Лиитокала настолько цветет и пахнет, что реально задавила все другие бюджетные модели. Кто сейчас вспомнит тот же miller?  

Как бы то ни было, коротко расскажу вам, что стоит ждать от этого бюджетного ЗУ с Алиэкспресс. 

купить Basen BC-2 можно на Aliexpress

но, забегу вперед, лучше купить Liitokala Lii 202

 связанные тексты:

 

Упаковка и внешний вид

 зарядка упакована в оранжевый блистер, к комплекте идет micro-USB кабель.  При желании можно доплатить и взять комплект с БП

 

Само зарядное устройство выглядит предельно просто. Черный прямоугольник с двумя отсеками и разъёмом micro-USB входа.  Той же литокале внешне уступает, но настолько же и превосходит откровенно беспородные дешевые зарядки. 

Дефектов литья и всяких зазоров нет, чисто внешне все хотя бы аккуратно.

Что самое главное — в ЗУ влезают 21700 аккумуляторы. Да, самые бюджетные, плоскоголовые литокалы. Но влезают!

Если же вам надо заряжать какие-то длинные Li-Ion аккумуляторы, например защищенные 21700, то вам стоит обратить внимание на Xtar SC1 или вот такую вот магнитную зарядку с «усами». 

 

С обратной стороны продублированы основные ТТХ

 

Зарядка

Производитель обещает реанимацию сверхразряженных аккумуляторов. У меня нет желания калечить имеющие в наличии нормально заряженные аккумы, глубокий разряд им на пользу не пойдет.  

 

А вот обычный заряд я оценить смог.  Вот график для одного аккумулятора.  Вполне нормально. 1А с постепенным падением тока зарядки по мере приближения к полному заряду.

и то же самое для двух аккумуляторов. 

Индикация процесса зарядки простейшая, красно зеленая. 

Производитель обещает 0.25\0.5\1А ток, но нигде нет варианты его выбрать — он настраивается автоматически. 

 

Общие впечатления

 

Если откровенно, я не вижу каких-то явных причин покупать это зарядное устройство, кроме одной — вам очень надо уложиться в минимальный бюджет и купить что-то, что будет выглядит не откровенным подвалом.  Для перепродажи то есть, скорее всего. 

 

Ну да, заряжать-то это ЗУ заряжает. Вот только, есть крохотный недозаряд, напряжение в моем случае тормозилось где-то на 4.18в. Справедливости ради, выраженной в mah разницей тут можно пренебречь и это всяк лучше перезаряда.

Вот только вы не можете выбрать ток, а значит для 14500\16340 эта зарядка будет малоподходящая, 1А для 600-700mah аккумуляторов будет избыточен. 

А для тех же 21700 1А будет небольшим током, что выльется в долгий процесс зарядки.  И тут оправданно брать специализированную быструю зарядку, которая будет стоить лишь символически больше. 

Зарядка не видит Ni-MH аккумуляторы, как та же любая Liitokala. 

 

И выходит что-то отровенно посредственное.  Для мелких акков скорее вредное, для 21700 — медленное. Для того чтобы держать дома — слишком однобокое ввиду невозможности заряжать литий.  

Опять-таки, индикация процесса зарядки примитивная, у вас нет никакой возможности хотя бы приблизительно узнать сколько еще осталось.  Та же 4 сегментная индикация литокалы такую возможность дает.    

  

Литий-ионная батарея Зарядка »Литий-ионная зарядка» Электроника

Для правильной работы литий-ионных, литий-ионных аккумуляторов они должны быть правильно заряжены, в противном случае они не будут работать должным образом.


Литий-ионная батарея Включает:
Литий-ионная технология Типы литий-ионных аккумуляторов Литий-полимерный аккумулятор Литий-ионная зарядка Литий-ионные преимущества и недостатки

Аккумуляторная технология включает: Обзор аккумуляторной технологии Определения и термины батареи NiCad NiMH Литий-ионный Свинцово-кислотный


Литий-ионные, литий-ионные аккумуляторы обеспечивают отличный уровень производительности.Чтобы извлечь из них максимум пользы, их необходимо правильно заряжать.

Если зарядка ионно-литиевых аккумуляторов не выполняется надлежащим образом, их работа может быть нарушена, и они могут даже выйти из строя, поэтому следует соблюдать осторожность.

Правильная зарядка литий-ионных аккумуляторов обеспечивает максимальную производительность и длительный срок службы. В результате зарядка литий-ионного аккумулятора обычно осуществляется в сочетании с системой управления аккумулятором. Это контролирует уровень заряда, разряда и скорость, с которой это может произойти.

Заряжается литий-ионный аккумулятор электроинструмента

Литий-ионный химический состав для заряда / разряда

Проще говоря, зарядку и разрядку ионно-литиевой батареи относительно легко объяснить.

Когда литий-ионный элемент или аккумулятор разряжается, он подает ток во внешнюю цепь. Внутри анода в процессе окисления высвобождаются ионы лития, которые переходят на катод. Электроны от созданных ионов текут в противоположном направлении, попадая в электрическую или электронную схему, на которую подается питание.Затем ионы и электроны реформируются на катоде.

Этот процесс высвобождает химическую энергию, которая хранится в клетке в виде электрической энергии.

Во время цикла зарядки реакции происходят в обратном направлении, когда ионы лития проходят от катода через электролит к аноду. Электроны, обеспечиваемые внешней схемой, затем объединяются с ионами лития, чтобы обеспечить накопленную электрическую энергию.

Следует помнить, что процесс зарядки не является полностью эффективным - некоторая энергия теряется в виде тепла, хотя обычно уровень эффективности составляет около 95% или немного меньше.

Электронные условия зарядки литий-ионного аккумулятора

С точки зрения электроники процесса зарядка литий-ионных аккумуляторов сильно отличается от зарядки никель-кадмиевых или никель-металлгидридных аккумуляторов. По разным причинам невозможно использовать одни и те же электронные схемы для их зарядки.

Зарядка литий-ионных аккумуляторов зависит от напряжения, а не от тока. Таким образом, зарядка литий-ионных аккумуляторов больше похожа на зарядку свинцово-кислотных аккумуляторов.

Одно из отличий от зарядки литий-ионных аккумуляторов состоит в том, что они имеют более высокое напряжение на элемент - от 3,7 до 4 В на элемент по сравнению с 1,2 В. 1

Литий-ионные элементы

также требуют гораздо более жесткого допуска по напряжению при обнаружении полного заряда, и после полной зарядки они не позволяют или не требуют подзарядки струйным или плавающим током. Особенно важно иметь возможность точно определять состояние полного заряда, поскольку литий-ионные батареи не переносят перезарядки.Они перегреваются, и это сокращает их жизнь, но в экстремальных обстоятельствах это может привести к возгоранию или даже взрыву.

Типичная кривая разрядки потребительского литий-ионного элемента

Большинство ориентированных на потребителя литий-ионных аккумуляторов заряжаются до напряжения 4,2 В на элемент, и это имеет допуск около ± 50 мВ на элемент. Зарядка сверх этого значения вызывает нагрузку на элемент и приводит к окислению, которое сокращает срок службы и емкость. Это также может вызвать проблемы с безопасностью.

Показанная выше кривая разряда типична для литий-ионного элемента в форме оксида лития-кобальта.Различные типы ионно-литиевых элементов имеют немного разные напряжения, но все они будут иметь одинаковую форму кривых разряда.

Зарядку литий-ионных аккумуляторов можно разделить на два основных этапа:

  • Заряд постоянным током: На первом этапе зарядки литий-ионного аккумулятора или элемента контролируется зарядный ток. Обычно это значение составляет от 0,5 до 1,0 C. (Примечание: для аккумулятора емкостью 2000 мАч скорость заряда будет составлять 2000 мА при скорости заряда C).

    Для потребительских элементов LCO и батарей рекомендуется максимальная скорость заряда 0,8 ° C.

    На этом этапе напряжение на литиево-ионном элементе увеличивается при постоянном токе заряда. Время зарядки для этого этапа может составлять около часа.

  • Заряд насыщения: Через некоторое время напряжение достигает пика около 4,2 В для элемента LCO. В этот момент элемент или батарея должны перейти на вторую стадию зарядки, известную как заряд насыщения.Поддерживается постоянное напряжение 4,2 вольта, и ток будет постоянно падать.

    Конец цикла зарядки достигается, когда ток падает примерно до 10% от номинального. Время зарядки для этого этапа может составлять около двух часов в зависимости от типа аккумулятора, производителя и т. Д.

Эффективность заряда, то есть количество заряда, удерживаемого батареей или элементом, по сравнению с количеством заряда, поступающего в элемент, является высоким. Эффективность зарядки может составлять от 95 до 99%.Это отражается на относительно низких уровнях повышения температуры ячеек.

Многие элементы теперь предназначены для быстрой зарядки, хотя в пределах номинальных значений для элемента этот процесс может сократить срок службы батареи, и необходимо найти баланс между удобством и сроком службы.

Меры предосторожности при зарядке литий-ионного аккумулятора

Принимая во внимание количество энергии, хранящейся в ионно-литиевых батареях, их химический состав и т. Д., Необходимо обеспечить, чтобы батареи были заряжены надлежащим образом и с помощью соответствующих зарядных устройств и оборудования.

Зарядные устройства или аккумуляторные батареи

для литий-ионных аккумуляторов включают в себя различные механизмы для предотвращения повреждений и опасности. Часто эти механизмы предусмотрены в аккумуляторном блоке, который затем можно использовать с простым зарядным устройством.

Механизм, необходимый литиево-ионной батарее для зарядки и разрядки, включает:

  • Зарядный ток: Зарядный ток должен быть ограничен для литий-ионных аккумуляторов. Обычно максимальное значение составляет 0,8 ° C, но для обеспечения некоторого запаса чаще устанавливаются более низкие значения.Некоторые батареи могут заряжаться быстрее.

    Даже для батарей или элементов, которые могут выдерживать более высокие токи зарядки, это влияет на срок службы. Если можно снизить скорость зарядки и не использовать быструю зарядку, это продлит срок службы элемента.

  • Температура заряда: Следует контролировать температуру заряда литий-ионного аккумулятора. Элемент или аккумулятор нельзя заряжать при температуре ниже 0 ° C или выше 45 ° C.

    Литий-ионные элементы и батареи

    лучше всего работают при комнатной температуре, поэтому зарядка в указанных пределах обеспечивает наилучшую зарядку, а также продлевает срок службы батареи.

  • Ток разряда: Защита по току разряда необходима для предотвращения повреждения или взрыва в результате короткого замыкания. Для конкретного аккумуляторного блока будет установлен предел, и его не следует превышать. Принимая во внимание огромное количество запасенной энергии, превышение пределов может привести к пожару или даже впечатляющему взрыву.

    Обычно аккумуляторные блоки имеют схему управления зарядкой / разрядкой, чтобы гарантировать, что допустимый ток не будет превышен, но всегда лучше не перенапрягать их.

    Различные типы литий-ионных аккумуляторов могут обеспечивать разные возможности - в результате фактический тип литий-ионных аккумуляторов, который следует выбрать, будет зависеть от области применения и требуемой способности по току / разрядке.

  • Перенапряжение: Защита от перенапряжения при зарядке необходима для предотвращения подачи слишком высокого напряжения на клеммы аккумулятора.Если позволить зарядному напряжению слишком высоко подняться, это может привести к повреждению.

  • Защита от перезарядки: Схема защиты от перезарядки требуется для остановки процесса зарядки литий-ионных аккумуляторов, когда напряжение на элемент превышает 4,30 вольт. Чрезвычайно важно не перезарядить литиевый аккумулятор. Система управления аккумулятором должна обеспечивать защиту от перезарядки.
  • Защита от обратной полярности: Литий-ионная батарея Защита от обратной полярности необходима, чтобы гарантировать, что аккумулятор не заряжается в неправильном направлении, так как это может привести к серьезным повреждениям или даже взрыву.
  • Li-Ion от чрезмерной разрядки: Защита от чрезмерной разрядки необходима для предотвращения падения напряжения аккумулятора ниже примерно 2,3 В в зависимости от производителя.
  • Перегрев: Защита от перегрева часто включается для предотвращения работы батареи при слишком высоком повышении температуры. Температура выше 100 ° C может нанести непоправимый ущерб.

При использовании литий-ионного аккумулятора обязательно использовать зарядное устройство производителя, потому что в зарядном устройстве и аккумуляторном блоке могут использоваться различные элементы защиты в зависимости от конструкции.

Литий-ионный заряд, циклы разрядки

Срок службы литий-ионных элементов и батарей часто выражается числом циклов заряда-разряда, которые они выдерживают, прежде чем их способность удержания заряда упадет.

Хотя литий-ионные элементы имеют так называемый календарный срок службы - их срок службы с точки зрения истекшего времени, даже если они не используются, другим важным фактором является количество циклов заряда-разряда, которые они могут выдержать. Обычно именно это, а не календарный срок службы означает конец полезного срока службы литий-ионного элемента.

По другим характеристикам литий-ионный аккумулятор лучше конкурентов. Было показано, что он способен выдерживать около 1000 циклов зарядки / разрядки при очень осторожном использовании и при этом сохранять 80% своей начальной емкости.

Ni-Cads

обеспечивают до 500 циклов, хотя это очень зависит от способа их использования. Плохо обработанная клетка может дать только 50 или 100. NiMH клетки еще хуже, и это одна из основных областей развития. Они могут дать только 500 циклов в лучшем случае, прежде чем их емкость упадет до 80% от начального рейтинга заряда.

Также обнаружено, что литий-ионные элементы и батареи не страдают от эффекта памяти, который был очевиден с никель-кадмиевыми батареями. Эффект памяти становился очевидным, если клетки разряжались лишь частично каждый раз при их использовании. Со временем они «вспомнили» уровень разряда, и их емкость соответственно уменьшилась. В результате было хорошо периодически выполнять полную разрядку ячеек. Это не так для литий-ионных элементов.

Зарядка и разрядка литий-ионных аккумуляторов являются ключом к их работе и долгой работе.Обычно в аккумуляторные блоки встроены микросхемы управления батареями. Это управляет зарядкой и разрядкой литий-ионного аккумулятора. Таким образом, пользователь может подключить аккумулятор к зарядному устройству и оставить его заряжаться, зная, что его не нужно отключать через определенное время. Микросхема управления батареей также гарантирует, что батарея не разряжается слишком далеко. Проблема заключается в том, чтобы убедиться, что руководство батареи понимает точное состояние заряда батареи.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Как заряжать литий-ионные аккумуляторы, литий-полимерные аккумуляторы и литий-железо-фосфатные элементы, включая зарядные устройства для литиевых аккумуляторов.

Зарядка литий-ионного аккумулятора

Basics

Эти примечания в равной степени применимы к литию. ионные и литий-полимерные батареи. Химия в основном такая же для два типа аккумуляторов, поэтому методы зарядки литий-полимерных аккумуляторов могут использоваться для литий-ионных аккумуляторов.
Зарядка лития фосфата железа 3,2 вольт ячейки идентичны, но фаза постоянного напряжения ограничена 3,65 вольт.

Литий-ионный аккумулятор легко заряжается. Безопасная зарядка - это труднее. Основной алгоритм - зарядка при постоянном токе (от 0,2 C до 0,7 C в зависимости от производителя), пока аккумулятор не достигнет 4,2 В на канал (вольт на ячейке) и удерживайте напряжение на уровне 4,2 В, пока ток заряда не упадет. до 10% от первоначальной ставки начисления.Условием прекращения является падение ток заряда до 10%. Максимальное напряжение зарядки и ток завершения незначительно варьируется в зависимости от производителя.

Однако таймер заряда должен быть включены для безопасности.

Заряд не может быть прекращен по напряжению. В Емкость, достигнутая при 4,2 В на ячейку, составляет всего от 40 до 70% полной мощности если не заряжается очень медленно. По этой причине вам нужно продолжать заряжать до тех пор, пока ток не упадет, и прекратить работу с низким током.

Это Важно отметить, что непрерывная подзарядка неприемлема для литиевых аккумуляторов. батареи. Литий-ионная химия не может допустить перезарядку, не вызывая повреждение элемента, возможно, отслоение металлического лития и превращение опасно.

Плавающая зарядка, тем не менее, является полезным вариантом. Проблема безопасности с поддержанием постоянного заряда аккумулятора - это то, что если зарядное устройство должно как-то сойти с ума и подать более высокое напряжение, могут быть проблемы.И другие по логике, чем короче включается зарядное устройство, тем меньше вероятность заряда при подключении к аккумулятору выйдет из строя. Однако есть еще один Метод безопасности, плата защиты батареи, которая должна быть включена либо на аккумулятор или в другой цепи между аккумулятором и зарядным устройством. BPB (также известная как PCB для «платы защиты») или другое управление батареей. цепь остановит заряд, если напряжение станет слишком высоким.

Иногда возникает вопрос "Каков эффект от зарядки менее 4,2 вольт?" В отличие от других батарей химии аккумулятор будет заряжаться, но никогда не достигнет полной зарядки, это будет взиматься только частичная оплата. Причина этого в том, что ионы помещаются в анодные или катодные кристаллы требуют большего напряжения, чем простой напряжение электрохимической ячейки. Чем выше напряжение, тем больше ионов может быть вставлен. Ссылка на эту страницу содержит наши исследования и некоторые количественные данные. от относительной емкости заряженных литий-ионных аккумуляторов ниже 4.2 вольт. Преимущество зарядки при более низком напряжении заключается в том, что срок ее службы сокращается. резко вверх.

Эта ссылка показывает, как литиевое железо Емкость фосфатных батарей изменяется в зависимости от напряжения заряда. Напряжение заряда эксперименты с литий-железо-фосфатными батареями, показывающие, как меняется емкость с зарядным напряжением.

Медленная зарядка ионно-литиевых батарей

Когда скорость заряда во время фазы постоянного тока низкая, процесс зарядки будет тратить меньше времени во время хвоста постоянного напряжения.Если вы заряжаете ниже около 0,18 ° C, при достижении 4,2 вольта ячейка практически заполнена. Этот может использоваться как альтернативный алгоритм начисления. Просто зарядите ниже 0,18C постоянный ток и прекратить заряд, когда напряжение достигнет 4,2 вольт на ячейку.

Безопасность

Каждый литий-ионный аккумулятор должен иметь метод поддержания баланса клеток и предотвращения их чрезмерно разряжены. Обычно это делается с помощью доски безопасности, которая контролирует зарядка и разрядка пакета и предотвращение опасных вещей.Технические характеристики этих досок безопасности продиктованы производителем ячейки, и может включать следующее:

  • Защита от обратной полярности
  • Температура заряда - нельзя заряжать при температуре ниже 0 ° C или выше 45 ° C.
  • Ток заряда не должен быть слишком большим, обычно ниже 0,7. С.
  • Защита от тока разряда для предотвращения повреждений из-за короткого замыкания схемы.
  • Напряжение заряда - постоянный предохранитель размыкается при слишком высоком напряжении. прикладывается к клеммам АКБ
  • Защита от перезарядки - останавливает заряд при напряжении на ячейку поднимается выше 4,30 вольт.
  • Защита от чрезмерной разрядки - прекращает разрядку, когда аккумулятор напряжение падает ниже 2,3 В на элемент (зависит от производителя).
  • Предохранитель
  • A срабатывает, если аккумулятор когда-либо подвергается воздействию высоких температур. выше 100 ° С.

Руководство разработчика по зарядке литий-ионных (литий-ионных) аккумуляторов

Преимущества литий-ионных (Li-ion) батарей

укрепили их позицию в качестве основного источника питания для портативной электроники, несмотря на один недостаток, когда разработчикам приходится ограничивать скорость зарядки, чтобы избежать повреждения элемента и создания опасности. К счастью, современные литий-ионные аккумуляторы более надежны и могут заряжаться гораздо быстрее, используя методы «быстрой зарядки».

В этой статье подробно рассматриваются разработки литий-ионных аккумуляторов, оптимальный цикл зарядки в электрохимии и некоторые схемы быстрой зарядки.В статье также будут объяснены недостатки ускоренной зарядки, что позволит инженерам сделать осознанный выбор в отношении своей следующей конструкции зарядного устройства.

Идея, лежащая в основе литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов, проста, но все же потребовалось четыре десятилетия усилий и много долларов на исследования, чтобы разработать технологию, которая теперь надежно питает большинство современных портативных устройств.

Самые ранние элементы были хрупкими и склонными к перегреву во время зарядки, но разработка позволила преодолеть эти недостатки.Тем не менее, зарядка по-прежнему должна осуществляться в точном режиме, который ограничивает токи заряда, чтобы обеспечить достижение полной емкости без перезарядки и связанного с ней риска необратимого повреждения. Хорошая новость заключается в том, что последние достижения в области материаловедения и электрохимии увеличили подвижность ионов клетки. Большая мобильность обеспечивает более высокие токи заряда и ускоряет «постоянный ток» части цикла зарядки.

Эти разработки позволяют заряжать смартфоны, оснащенные литий-ионными аккумуляторами последнего поколения, примерно с 20% до 70% емкости за 20–30 минут.Кратковременное обновление батареи до трех четвертей емкости привлекает потребителей с ограниченным временем жизни, открывая сектор рынка зарядных устройств, которые могут безопасно поддерживать быструю зарядку. Поставщики микросхем отреагировали, предложив разработчикам микросхемы, которые обеспечивают различную скорость зарядки, чтобы ускорить пополнение заряда литий-ионных элементов. В результате получается более быстрая зарядка, но, как всегда, приходится идти на компромисс.

Портативные устройства повышения мощности

Литий-ионные элементы

основаны на интеркаляционных соединениях.Эти соединения представляют собой материалы со слоистой кристаллической структурой, которые позволяют ионам лития мигрировать из слоев или находиться между ними. Во время разряда литий-ионной батареи ионы перемещаются от отрицательного электрода через электролит к положительному электроду, заставляя электроны двигаться в противоположном направлении по цепи для питания нагрузки. Когда ионы в отрицательном электроде израсходованы, ток перестает течь. Зарядка батареи заставляет ионы перемещаться обратно через электролит и встраиваться в отрицательный электрод, готовые к следующему циклу разряда (рис. 1).

Рис. 1. В литий-ионной батарее ионы лития перемещаются от одного интеркалирующего соединения к другому, в то время как электроны текут по цепи для питания нагрузки. (Источник изображения: Digi-Key)

В современных элементах для положительного электрода используются интеркалирующие соединения на основе лития, такие как оксид лития-кобальта (LiCoO 2 ), поскольку он намного более стабилен, чем высокореактивный чистый литий, и поэтому намного безопаснее. В качестве отрицательного электрода используется графит (уголь).

Хотя эти материалы удовлетворительны, все не идеально. Каждый раз, когда смещаются ионы, некоторые из них вступают в реакцию с электродом, становятся неотъемлемой частью материала и, таким образом, теряются в электрохимической реакции. В результате запас свободных ионов постепенно истощается, а срок службы батареи сокращается. Что еще хуже, каждый цикл зарядки вызывает объемное расширение электродов. Это вызывает напряжение в кристаллической структуре и вызывает микроскопические повреждения, которые снижают способность электродов принимать свободные ионы.Это накладывает ограничение на количество циклов перезарядки.

Устранение этих недостатков было в центре внимания недавних исследований литий-ионных аккумуляторов, основной целью которых является упаковка большего количества ионов лития в электроды для увеличения плотности энергии, определяемой как энергия на единицу объема или веса. Это облегчает перемещение ионов внутрь и наружу электродов и облегчает прохождение ионов через электролит (то есть увеличивает подвижность ионов).

Время зарядки (при заданном токе) в конечном итоге определяется емкостью аккумулятора.Например, аккумулятор смартфона емкостью 3300 мАч будет заряжаться примерно в два раза дольше, чем аккумулятор 1600 мАч, когда оба заряжаются с использованием тока 500 мА. Чтобы учесть это, инженеры определяют скорость зарядки в единицах «C», где 1 C соответствует максимальному току, который батарея может обеспечить в течение одного часа. Например, в случае аккумулятора на 2000 мАч C = 2 A. Та же методика применяется к зарядке. Подача зарядного тока 1 А к батарее емкостью 2000 мАч соответствует скорости 0,5 С. ​​

Из этого следует, что увеличение зарядного тока приведет к уменьшению времени перезарядки.Это правда, но только до определенной степени. Во-первых, ионы обладают конечной подвижностью, поэтому увеличение зарядного тока выше определенного порога не приводит к их более быстрому сдвигу. Вместо этого энергия фактически рассеивается в виде тепла, повышая внутреннюю температуру аккумулятора и рискуя необратимым повреждением. Во-вторых, неограниченная зарядка при высоком токе в конечном итоге приводит к встраиванию такого количества ионов в отрицательный электрод, что электрод распадается и батарея разрушается.

Последние разработки значительно улучшили подвижность ионов новейших литий-ионных элементов, что позволяет использовать более высокий зарядный ток без опасного повышения внутренней температуры.Но даже в самых современных продуктах все еще существует риск перезарядки, потому что это прямой результат физического устройства элемента. Следовательно, производители литий-ионных аккумуляторов предписывают строгий режим зарядки, чтобы защитить свои изделия от повреждений.

Осторожно делает

Зарядка литий-ионного аккумулятора

осуществляется по профилю, обеспечивающему безопасность и долгий срок службы без снижения производительности (рис. 2). Если литий-ионный аккумулятор сильно разряжен (например, ниже 3 В), применяется небольшой «предварительный» заряд, составляющий около 10% от тока полной зарядки.Это предотвращает перегрев элемента до тех пор, пока он не сможет принять полный ток фазы постоянного тока. На самом деле, эта фаза редко требуется, потому что большинство современных мобильных устройств предназначены для выключения, пока еще остается некоторый заряд, потому что глубокая разрядка, например перезарядка, может повредить элемент.

Рисунок 2: Профиль зарядки литий-ионных аккумуляторов с использованием метода постоянного тока до тех пор, пока напряжение аккумулятора не достигнет 4,1 В, с последующим «дозаправкой» с использованием метода постоянного напряжения.(Источник изображения: Texas Instruments)

Затем аккумулятор обычно заряжают постоянным током 0,5 C или менее, пока напряжение аккумулятора не достигнет 4,1 или 4,2 В (в зависимости от точного электрохимического режима). Когда напряжение аккумулятора достигает 4,1 или 4,2 В, зарядное устройство переключается на фазу «постоянного напряжения», чтобы исключить перезаряд. Превосходные зарядные устройства для аккумуляторов плавно переходят от постоянного тока к постоянному напряжению, обеспечивая достижение максимальной емкости без риска повреждения аккумулятора.

Поддержание постоянного напряжения постепенно снижает ток, пока он не достигнет примерно 0,1 C, после чего зарядка прекращается. Если зарядное устройство остается подключенным к батарее, применяется периодическая подзарядка для предотвращения саморазряда батареи. Подзарядка обычно начинается, когда напряжение холостого хода батареи падает ниже 3,9 до 4 В, и прекращается, когда снова достигается напряжение полной зарядки от 4,1 до 4,2 В.

Как уже упоминалось, перезарядка серьезно сокращает срок службы батареи и потенциально опасна.Как только ионы перестают двигаться, большая часть электроэнергии, подаваемой на батарею, преобразуется в тепловую. Это вызывает перегрев, что может привести к взрыву из-за выделения газа из электролита. В результате производители аккумуляторов выступают за точный контроль и подходящие функции безопасности зарядного устройства.

Недозаряд, хотя и не опасен, может также отрицательно сказаться на емкости аккумулятора. Например, недостаточная зарядка всего на 1% может снизить емкость аккумулятора примерно на 8% (Рисунок 3).

Рисунок 3: Недостаточная зарядка всего на доли процента может значительно снизить емкость литий-ионного аккумулятора. По этой причине важно точно измерить конечное напряжение во время зарядки.

По этим причинам зарядное устройство должно контролировать конечное напряжение в пределах ± 50 мВ от 4,1 или 4,2 В и иметь возможность определять, когда аккумулятор полностью заряжен. Методы обнаружения включают определение момента, когда ток упадет до 0.1 C во время стадии постоянного напряжения и, в более простых зарядных устройствах, зарядка только в течение заранее определенного времени и при условии, что батарея полностью заряжена. Многие зарядные устройства также включают устройства для определения температуры батареи, так что зарядка может прекратиться при превышении порогового значения. [1]

Ускоренная зарядка

Поскольку последнее поколение аккумуляторов отличается более высокой подвижностью ионов, возможна более быстрая зарядка без риска перегрева. На сегодняшний день производители микросхем предоставили широкий спектр интегрированных решений для управления литий-ионными аккумуляторами, чтобы упростить конструкцию зарядных устройств.Теперь они также предлагают кремний, который позволяет инженерам разрабатывать продукты, которые используют преимущества более быстрой зарядки во время фазы постоянного тока. (Обратите внимание, что в отрасли не существует общепринятого определения «быстрой или быстрой зарядки» для литий-ионной батареи. Скорее, этот термин качественно применяется к любому режиму зарядки, который ускоряет зарядку по сравнению с «типичной» скоростью заряда 0,5 ° C.)

Maxim Integrated, например, предлагает MAX8900, зарядное устройство, основанное на импульсном понижающем («понижающем») источнике питания.Устройство может обеспечивать ток до 1,2 А от источника питания от 3,6 до 6,3 В, позволяя разработчику регулировать параметры заряда с помощью внешних компонентов.

Например, разработчик может реализовать быструю зарядку постоянным током, когда напряжение батареи превышает напряжение предварительного согласования и пока напряжение не достигнет 4,2 В. Максимальный ток быстрой зарядки определяется резистором между выводом SETI и землей (см. Рисунок 4).

Рисунок 4: Зарядный ток в фазе постоянного тока зарядки литий-ионного аккумулятора, обеспечиваемый MAX8900 от Maxim Integrated, может быть установлен с помощью резистора R SETI , показанного здесь внизу в центре этого приложения схема.( Схема, нарисованная с помощью Digi-Key Scheme-it , на основе оригинального изображения, любезно предоставленного Maxim Integrated)

Например, для R SETI = 2,87 кОм ток быстрой зарядки составляет 1,186 А, а для R SETI = 34 кОм ток составляет 0,1 А. На рисунке 5 показано, как меняется ток зарядки с R SETI . Maxim предлагает удобный комплект разработчика для MAX8900A, который позволяет разработчику экспериментировать со значениями компонентов, чтобы исследовать их влияние не только на скорость зарядки постоянным током, но и на скорость зарядки в других частях цикла зарядки.

Рисунок 5: Изменение зарядного тока в фазе постоянного тока зарядки литий-ионного аккумулятора, подаваемого MAX8900 с номиналом резистора R SETI .

В MAX8900 встроены некоторые защитные механизмы, предотвращающие опасное повышение температуры батареи во время быстрой зарядки. Они соответствуют спецификациям Японской ассоциации производителей электроники и информационных технологий (JEITA) по безопасной зарядке литий-ионных аккумуляторов.Для литий-ионных аккумуляторов при температуре от 0 до 15 ° C ток быстрой зарядки ограничен до 50% от его запрограммированной скорости, а если температура аккумулятора поднимается выше 60 ° C, ток полностью отключается до тех пор, пока температура падает до безопасного уровня. Сам чип защищен термическим отводом, который ограничивает ток заряда до 25% от максимального уровня, если внутренняя температура превышает 85˚C.

Maxim не единственный, кто предоставляет разработчикам гибкость при выборе скорости быстрой зарядки.Импульсное зарядное устройство MC32BC3770 от NXP Semiconductors обеспечивает контроль над режимом зарядки, позволяя разработчику не только устанавливать рабочие параметры через интерфейс I 2 C, но и устанавливать ток окончания заряда, напряжение регулирования аккумулятора, предварительную настройку. - ток заряда, пороговое значение напряжения быстрой зарядки и пороговое напряжение уменьшения заряда в дополнение к току быстрой зарядки.

Сам ток быстрой зарядки программируется от 100 до 2000 мА с настройкой по умолчанию 500 мА.В целях безопасности ток быстрой зарядки всегда ограничивается настройкой ограничения входного тока. MC32BC3770 может работать от входа до 20 В и имеет один вход для USB и двухканальный выход для питания устройства, если батарея полностью разряжена.

FAN5400 компании Fairchild Semiconductor компании

также позволяет разработчикам программировать скорость зарядки и режимы работы микросхемы через интерфейс I 2 C. Устройство представляет собой USB-совместимое зарядное устройство на основе импульсного источника питания, который работает от входа 6 В (макс.) И предлагает до 1 напряжения.Зарядный ток 25 А.

FAN5400 разработан для минимизации времени зарядки и соответствует требованиям USB. Разработчик может выбрать как максимальный ток заряда, так и пороговое значение тока для прекращения зарядки во время фазы постоянного напряжения через хост I 2 C. Функции безопасности включают таймер, который отключает питание, если цикл зарядки превышает заранее установленную продолжительность, а ток заряда ограничивается, если температура микросхемы превышает 120 ° C.

Со своей стороны, Texas Instruments предлагает bq25898, переключаемое устройство управления зарядом аккумулятора, которое поддерживает быструю зарядку с высоким входным напряжением.Устройство может принимать входное напряжение до 12 В и выдает до 4 А на выходе, что делает его пригодным для зарядки аккумуляторов большей емкости в смартфонах и планшетах последнего поколения.

Подобно решениям NXP Semiconductors и Fairchild, bq25898 настраивается через последовательный интерфейс I 2 C, который позволяет разработчику устанавливать ток заряда и минимальное напряжение системы. Функции безопасности включают контроль температуры аккумулятора, таймер зарядки и защиту от перенапряжения.

Компромисс для быстрой зарядки

Разработчик должен знать о компромиссе, который возникает при быстрой зарядке: чем быстрее зарядка, тем меньше емкость, когда аккумулятор переключается на относительно медленную часть режима зарядки с постоянным напряжением. Например, зарядка при 0,7 C приводит к емкости от 50 до 70 процентов при достижении 4,1 или 4,2 В, тогда как зарядка при температуре менее 0,2 C может привести к полной зарядке батареи, как только напряжение достигнет 4,1 или 4,2 В. Другими словами, если потребителю нужно быстрое обновление, скажем, с 25 до 50 процентов, быстрая зарядка идеальна, но если потребитель обычно подключается к сети для полной подзарядки, это обычно быстрее при умеренной скорости зарядки 0.5 C, чем скорость быстрой зарядки не менее 1 C, что требует более длительной и относительно медленной «доливки».

Другой недостаток заключается в том, что повышенная внутренняя температура, создаваемая быстрой зарядкой - даже если она может быть ниже «безопасного» порога, определенного производителем конкретного литий-ионного элемента, - может вызвать небольшое повреждение, что в конечном итоге приведет к снижению емкости. и меньшее количество циклов перезарядки. Тем не менее, с улучшением технологии аккумуляторов, повышающим надежность ячеек, скорость быстрой зарядки должна быть чрезмерной, чтобы сократить срок службы аккумулятора до уровня, меньшего, чем «полезное» существование портативного продукта (определяемое как время между покупкой продукта потребителем и заменив его на более новую модель).

Заключение

В то время как в лаборатории разрабатываются некоторые новые аккумуляторные технологии, литий-ионный элемент, похоже, в ближайшее время станет основным носителем энергии для портативных устройств. Таким образом, технология будет продолжать интенсивно развиваться, устраняя ее недостатки. Мобильность ионов является одним из этих недостатков и, вероятно, улучшится даже по сравнению с батареями последнего поколения, что приведет к более быстрой зарядке при постоянном токе.

Разработчики

могут воспользоваться преимуществами более быстрой зарядки, выбрав микросхему управления аккумулятором, которая дает им гибкость в выборе скорости зарядки путем выбора одного или двух внешних компонентов или программирования через интерфейс I 2 C. Также стоит учитывать функции безопасности, встроенные в устройства управления батареями, поскольку, хотя современные литий-ионные элементы намного надежнее, чем их предшественники, быстрая зарядка все же представляет некоторые потенциальные опасности, которые разработчикам необходимо учитывать при разработке.

Артикул:

1. « Разработка доступных систем питания смешанных сигналов для зарядных устройств », Терри Кливленд, Скотт Дирборн, Microchip Technology Inc.

Заявление об ограничении ответственности: мнения, убеждения и точки зрения, выраженные различными авторами и / или участниками форума на этом веб-сайте, не обязательно отражают мнения, убеждения и точки зрения Digi-Key Electronics или официальную политику Digi-Key Electronics.

Зарядка литий-ионных аккумуляторов требует точного определения напряжения.

Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы набирают популярность в портативных системах из-за их увеличенной емкости при тех же размерах и весе, что и у более старых NiCad и NiMH аккумуляторов.Например, портативный компьютер с литий-ионным аккумулятором может работать дольше, чем аналогичный компьютер с никель-металлгидридным аккумулятором. Однако разработка системы для литий-ионных аккумуляторов требует особого внимания к схеме зарядки, чтобы обеспечить быструю, безопасную и полную зарядку аккумулятора.

Новая микросхема для зарядки аккумуляторов, ADP3810, разработана специально для управления зарядом литий-ионных аккумуляторов с 1–4 элементами. Четыре высокоточных фиксированных варианта конечного напряжения батареи (4.2 В, 8,4 В, 12,6 В и 16,8 В); они гарантируют конечное напряжение батареи ± 1%, что так важно при зарядке литий-ионных батарей. Сопутствующее устройство, ADP3811, похоже на ADP3810, но его конечное напряжение батареи программируется пользователем для работы с другими типами батарей. Обе микросхемы точно контролируют зарядный ток, чтобы обеспечить быструю зарядку при токах 1 ампер и более. Кроме того, оба они имеют прецизионный источник опорного напряжения 2,0 В и прямой выход привода оптопары для изолированных приложений.

Li-Ion Charging: Li-Ion аккумуляторы обычно требуют алгоритма зарядки с постоянным током и постоянным напряжением (CCCV). Другими словами, литий-ионная батарея должна заряжаться при заданном уровне тока (обычно от 1 до 1,5 ампер) до достижения конечного напряжения. На этом этапе схема зарядного устройства должна переключиться в режим постоянного напряжения и обеспечивать ток, необходимый для удержания батареи при этом конечном напряжении (обычно 4,2 В на элемент). Таким образом, зарядное устройство должно обеспечивать стабильные контуры управления для поддержания постоянное значение тока или напряжения, в зависимости от состояния батареи.

Основная задача при зарядке литий-ионного аккумулятора - реализовать полную емкость аккумулятора без его перезарядки, что может привести к катастрофическому отказу. Возможна небольшая погрешность, всего ± 1%. Избыточная зарядка более чем на 1% может привести к выходу батареи из строя, а недостаточная зарядка более чем на 1% приводит к снижению емкости. Например, недозаряд литий-ионного аккумулятора всего на 100 мВ (-2,4% для литий-ионного элемента на 4,2 В) приводит к потере емкости примерно на 10%. Поскольку возможность ошибки настолько мала, требуется высокая точность схемы управления зарядкой.Для достижения такой точности контроллер должен иметь прецизионный источник опорного напряжения, усилитель обратной связи с высоким коэффициентом усиления и малым смещением, а также точно согласованный резистивный делитель. Суммарные погрешности всех этих компонентов должны приводить к общей погрешности менее ± 1%. ADP3810, сочетающий эти элементы, гарантирует общую точность ± 1%, что делает его отличным выбором для зарядки литий-ионных аккумуляторов.

ADP3810 и ADP3811: На рисунке 1 показана функциональная схема ADP3810 / 3811 в упрощенной схеме зарядного устройства CCCV.Два усилителя « г, м, , » (вход по напряжению, выход по току) являются ключевыми для производительности ИС. GM1 определяет и контролирует заряд , ток через шунтирующее сопротивление, R CS и GM2 измеряют и контролируют напряжение конечной батареи . Их выходы соединены в аналоговой конфигурации «ИЛИ», и оба спроектированы таким образом, что их выходы может только подтянуть общий узел COMP. Таким образом, либо усилитель тока, либо усилитель напряжения контролирует контур зарядки в любой момент времени.Узел COMP буферизирован выходным каскадом « g m » (GM3), выходной ток которого напрямую управляет входом управления преобразователем постоянного тока (через оптопару в изолированных приложениях).

Рис. 1. Блок-схема ADP3810 / 3811 в упрощенной схеме зарядки аккумулятора.

ADP3810 включает прецизионные тонкопленочные резисторы для точного деления напряжения батареи и сравнения его с внутренним опорным напряжением 2,0 В. ADP3811 не включает эти резисторы, поэтому разработчик может запрограммировать любое конечное напряжение батареи с помощью пары внешних резисторов в соответствии с приведенной ниже формулой.Буферный усилитель обеспечивает вход с высоким импедансом для программирования зарядного тока с использованием входа VCTRL, а схема блокировки при пониженном напряжении (UVLO) обеспечивает плавный запуск.

Чтобы понять конфигурацию «ИЛИ», предположим, что полностью разряженный аккумулятор вставлен в зарядное устройство. Напряжение аккумулятора значительно ниже конечного напряжения заряда, поэтому на входе VSENSE GM2 (подключенном к аккумулятору) положительный вход GM2 значительно ниже внутреннего опорного напряжения 2,0 В. В этом случае GM2 хочет вывести узел COMP на низкий уровень, но он может только подтянуть, поэтому он не оказывает никакого влияния на узел COMP.Поскольку батарея разряжена, зарядное устройство начинает увеличивать ток заряда, и токовая петля берет на себя управление. Ток заряда создает отрицательное напряжение на резисторе токового шунта (RCS) с сопротивлением 0,25 Ом. Это напряжение измеряется GM1 через резистор 20 кОм (R3). В состоянии равновесия ( I CHARGE R CS ) / R 3 = -V CTRL /80 кОм. Таким образом, ток заряда поддерживается на уровне

.

Если ток заряда имеет тенденцию превышать запрограммированный уровень, вход V CS GM1 принудительно становится отрицательным, что приводит к высокому уровню на выходе GM1.Это, в свою очередь, подтягивает узел COMP, увеличивая ток от выходного каскада, уменьшая мощность блока преобразователя постоянного / постоянного тока (который может быть реализован с различными топологиями, такими как обратный ход, понижающий или линейный каскад), и, наконец, уменьшение зарядного тока. Эта отрицательная обратная связь завершает контур управления зарядным током.

Когда батарея приближается к своему конечному напряжению, входы GM2 приходят в равновесие. Теперь GM2 подтягивает узел COMP к высокому уровню, и выходной ток увеличивается, в результате чего ток заряда уменьшается, поддерживая равными V SENSE и V REF .Управление зарядным контуром изменено с GM1 на GM2. Поскольку коэффициент усиления двух усилителей очень высок, переходная область от управления током к напряжению очень резкая, как показано на рисунке 2. Эти данные были измерены на 10-вольтовой версии автономного зарядного устройства, показанном на рисунке 3.

Рисунок 2. Изменение тока / напряжения зарядного устройства ADP3810 CCCV

Полное автономное литий-ионное зарядное устройство: На рисунке 3 показана полная система зарядки с использованием ADP3810 / 3811. В этом автономном зарядном устройстве используется классическая архитектура с обратным ходом для создания компактной и недорогой конструкции.Три основных участка этой схемы - это контроллер первичной стороны, силовой полевой транзистор и трансформатор обратного хода, а также контроллер вторичной стороны. В этой конструкции используется ADP3810, напрямую подключенный к батарее, для зарядки двухэлементной литий-ионной батареи. до 8,4 В при программируемом токе заряда от 0,1 до 1 А. Входной диапазон от 70 до 220 В переменного тока - для универсальной работы. Используемый здесь широтно-импульсный модулятор первичной стороны соответствует промышленному стандарту 3845, но могут использоваться и другие компоненты ШИМ. . Фактические выходные характеристики зарядного устройства контролируются ADP3810 / 3811, что гарантирует конечное напряжение в пределах ± 1%.

Рисунок 3. Полное автономное зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов

Токовый привод управляющего выхода ADP3810 / 3811 напрямую подключается к фотодиоду оптопары без дополнительных схем. Его выходной ток 4 мА может управлять различными оптопарами - здесь используется MOC8103. Ток фототранзистора протекает через R F , устанавливая напряжение на выводе COMP 3845 и, таким образом, управляя рабочим циклом ШИМ. Контролируемый импульсный стабилизатор спроектирован таким образом, что повышенный ток светодиода от оптопары снижает рабочий цикл преобразователя.

В то время как сигнал от ADP3810 / 3811 управляет средним зарядным током , первичная сторона должна иметь циклическое ограничение тока переключения. Этот предел тока должен быть спроектирован таким образом, чтобы при отказе или неисправности вторичной цепи или оптопары или во время запуска компоненты первичной силовой цепи (полевой транзистор и трансформатор) не подвергались перенапряжению. Когда вторичная сторона V CC поднимается выше 2,7 В, ADP3810 / 3811 берет на себя управление и контролирует средний ток.Предел тока первичной стороны устанавливается резистором считывания тока 1,6 Ом, подключенным между силовым транзистором NMOS, IRFBC30 и землей.

ADP3810 / 3811, ядро ​​вторичной стороны, устанавливает общую точность зарядного устройства. Для выпрямления требуется только один диод (MURD320), и никакой катушки индуктивности фильтра не требуется. Диод также предотвращает обратный запуск зарядного устройства при отключении входного питания. Конденсатор емкостью 1000 мкФ (CF1) поддерживает стабильность при отсутствии батареи .RCS определяет средний ток (см. Выше), и ADP3810 подключается напрямую (или ADP3811 через делитель) к батарее, чтобы определять и контролировать ее напряжение.

С этой схемой реализовано полностью автономное зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов. Топология обратного хода объединяет преобразователь переменного тока в постоянный со схемой зарядного устройства, что дает компактный и недорогой дизайн. Точность этой системы зависит от контроллера вторичной стороны, ADP3810 / 3811. Архитектура устройства также хорошо работает в других схемах зарядки аккумуляторов.Например, стандартное зарядное устройство постоянного тока понижающего типа может быть легко сконструировано путем объединения ADP3810 и ADP1148. Простое линейное зарядное устройство также может быть разработано с использованием только ADP3810 и внешнего транзистора. Во всех случаях присущая ADP3810 точность контролирует зарядное устройство и гарантирует конечное напряжение батареи ± 1%, необходимое для зарядки литий-ионных аккумуляторов.

Зарядка литиевых (LiFePO4) аккумуляторов | RELiON

Все, что вам нужно знать о зарядке литий-железо-фосфатных батарей (LiFePO4)

Замена может быть сложной даже при переходе со свинцово-кислотной батареи на литиево-железо-фосфатную.Правильная зарядка аккумулятора имеет решающее значение и напрямую влияет на производительность и срок службы аккумулятора. Узнайте, как зарядить аккумулятор RELiON LiFePO4, чтобы получить максимальную прибыль.

Условия зарядки

Как и ваш мобильный телефон, вы можете заряжать литий-железо-фосфатные батареи в любое время. Если вы дадите им полностью разрядиться, вы не сможете использовать их, пока они не зарядятся. В отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, литий-железо-фосфатные аккумуляторы не повреждаются, если оставить их в частично заряженном состоянии, поэтому вам не нужно беспокоиться о том, чтобы зарядить их сразу после использования.У них также нет эффекта памяти, поэтому вам не нужно полностью их разряжать перед зарядкой.

Аккумуляторы

RELiON LiFePO4 могут безопасно заряжаться при температуре от -4 ° F до 131 ° F (0 ° C - 55 ° C), однако мы рекомендуем заряжать при температуре выше 32 ° F (0 ° C). Если вы все-таки заряжаете при температурах ниже нуля, вы должны убедиться, что ток заряда составляет 5-10% от емкости аккумулятора.

Как зарядить аккумулятор LiFePO4

Идеальный способ зарядить аккумулятор LiFePO4 - использовать зарядное устройство для литий-железо-фосфатного аккумулятора, так как оно будет запрограммировано с соответствующими пределами напряжения.Большинство зарядных устройств для свинцово-кислотных аккумуляторов отлично справятся с этой задачей. Профили заряда AGM и GEL обычно находятся в пределах напряжения литий-железо-фосфатной батареи. Зарядные устройства для влажных свинцово-кислотных аккумуляторов, как правило, имеют более высокий предел напряжения, что может привести к переходу системы управления батареями (BMS) в режим защиты. Это не повредит батарею; однако это может привести к появлению кодов неисправностей на дисплее зарядного устройства.

Параллельная зарядка аккумуляторов Best Practices

При параллельном подключении литиевых батарей лучше заряжать каждую батарею по отдельности, прежде чем выполнять параллельное (ые) соединение (я).Если у вас есть вольтметр, проверьте напряжение через пару часов после завершения зарядки и убедитесь, что они находятся в пределах 50 мВ (0,05 В) друг от друга, прежде чем подключать их параллельно. Это минимизирует вероятность дисбаланса между батареями и максимизирует производительность системы. Если со временем вы заметите, что емкость вашей аккумуляторной батареи уменьшилась, отключите параллельные соединения и зарядите каждую батарею по отдельности, а затем снова подключите.

Зарядка аккумуляторов в серии Лучшие практики

Последовательное соединение литиевых батарей во многом похоже на их параллельное соединение, лучше всего заряжать каждую батарею по отдельности, проверять напряжение и убедиться, что оно находится в пределах 50 мВ (0.05V) друг на друга перед последовательным подключением.

Настоятельно рекомендуется заряжать литиевые батареи последовательно с помощью универсального зарядного устройства. Это означает, что каждая батарея заряжается одновременно, но полностью независимо друг от друга. В некоторых приложениях это непрактично, поэтому RELiON предлагает батареи на 24 В и 48 В, чтобы снизить потребность в нескольких батареях, подключенных последовательно.

А что насчет хранения?

Литий-железо-фосфатные батареи намного проще хранить, чем свинцово-кислотные.Для кратковременного хранения от 3 до 6 месяцев ничего делать не нужно. В идеале перед хранением оставьте их заряженными примерно на 50%. Для длительного хранения лучше всего хранить их с уровнем заряда 50%, а затем циклически разряжать их, заряжать и затем частично разряжать примерно до 50% каждые 6-12 месяцев.

Основные различия между литий-железо-фосфатными и свинцово-кислотными аккумуляторами, когда дело доходит до зарядки

Литиевые батареи

могут заряжаться при гораздо более высоком токе, и они заряжаются более эффективно, чем свинцово-кислотные, что означает, что их можно заряжать быстрее.Литиевые батареи не нужно заряжать, если они частично разряжены. В отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, которые при частичном заряде сульфатируются, что резко снижает производительность и срок службы.

Литиевые батареи

RELiON поставляются с внутренней системой управления батареями (BMS), которая защищает батарею от перезарядки, тогда как свинцово-кислотные батареи могут быть перезаряжены, что увеличивает скорость коррозии сети и сокращает срок службы батареи.

Для получения более подробной информации о зарядке литиевых батарей RELiON, ознакомьтесь с нашими инструкциями по зарядке и , свяжитесь с нами , если у вас есть какие-либо вопросы.


Об авторе:

Кристина Федорова - вице-президент по управлению продуктами и стратегии в RELiON Battery. Обладая более чем 23-летним опытом работы с аккумуляторами глубокого цикла, в том числе свинцово-кислотными и AGM, а также литиевыми аккумуляторами, Кристина является инженером с опытом тестирования аккумуляторов, разработки продуктов и управления ими, а также технической поддержки. Следите за Кристиной в LinkedIn здесь.

Способы зарядки литий-ионных аккумуляторов

Для большинства электронных устройств, работающих от аккумуляторов, выбирают литий-ионный аккумулятор.Узнайте, что нужно для их правильной зарядки.

Опубликовано Джон Тил

Литий-ионный аккумулятор

- это аккумулятор, наиболее часто используемый в бытовой электронике. Из других типов, которые использовались ранее, никель-кадмиевые батареи для использования в электронном оборудовании были запрещены в ЕС, поэтому общий спрос на эти типы упал.

Никель-металлогидридные батареи

все еще используются, но их более низкая плотность энергии и соотношение цены и качества делают их непривлекательными.

Работа и конструкция литий-ионного аккумулятора

Литий-ионные батареи

считаются вторичными батареями , что означает, что они перезаряжаемые. Наиболее распространенный тип состоит из анода, сделанного из слоя графита, нанесенного на медную подложку, или токоприемника, и катода из покрытия из оксида лития-кобальта на алюминиевой подложке.

Сепаратор обычно представляет собой тонкую полиэтиленовую или полипропиленовую пленку, которая электрически разделяет два электрода, но позволяет переносить через нее ионы лития.Это расположение показано на рисунке 1.

Также используются различные другие типы анодных и катодных материалов, наиболее распространенные катоды обычно дают свои имена в соответствии с описанием типа батареи.

Таким образом, катодные элементы из оксида лития-кобальта известны как ячейки LCO. Типы оксида лития, никеля, марганца и кобальта называются типами NMC, а элементы с катодами из фосфата лития-железа известны как ячейки LFP.

Рисунок 1 - Основные компоненты типичного литий-ионного элемента

В реальном литий-ионном элементе эти слои обычно плотно намотаны друг на друга, и электролита, хотя и жидкого, едва хватает для смачивания электродов, и внутри нет жидкости, плещущейся.

Это устройство показано на рисунке 2, который изображает реальную внутреннюю конструкцию призматической или прямоугольной металлической ячейки. Другими популярными типами корпусов являются цилиндрические и мешочные (обычно называемые полимерными ячейками).

На этом рисунке не показаны металлические выступы, прикрепленные к каждому токосъемнику. Эти выступы являются электрическими соединениями с батареей, в основном клеммами батареи.

Рисунок 2 - Типичная внутренняя конструкция призматического литий-ионного элемента

Зарядка литий-ионного элемента включает использование внешнего источника энергии для переноса положительно заряженных ионов лития от катода к анодному электроду.Таким образом, катод становится отрицательно заряженным, а анод - положительно заряженным.

Внешне зарядка включает движение электронов от анодной стороны к источнику заряда, и такое же количество электронов проталкивается в катод. Это направление противоположно внутреннему потоку ионов лития.

Во время разряда к клеммам аккумулятора подключается внешняя нагрузка. Ионы лития, которые накапливались в аноде, возвращаются на катод. Внешне это связано с движением электронов от катода к аноду.Таким образом, через нагрузку протекает электрический ток.

Вкратце, то, что происходит внутри элемента во время зарядки, например, заключается в том, что на стороне катода оксид лития-кобальта отдает часть своих ионов лития, превращаясь в соединение с меньшим содержанием лития, которое все еще остается химически стабильным.

Со стороны анода эти ионы лития внедряются или интеркалируются в межузельные пространства молекулярной решетки графита.

При зарядке и разрядке необходимо учитывать несколько моментов.Внутри литий-ионы должны пересекать несколько границ раздела во время зарядки и разрядки. Например, во время зарядки ионы лития должны переноситься из объема катода на катод к границе раздела электролита.

Оттуда он должен пройти через электролит через сепаратор к границе раздела между электролитом и анодом. Наконец, он должен диффундировать от этой границы раздела к основной части анодного материала.

Скорость переноса заряда через каждую из этих различных сред определяется ее ионной подвижностью.На это, в свою очередь, влияют такие факторы, как температура и концентрация ионов.

На практике это означает, что во время зарядки и разрядки необходимо соблюдать меры предосторожности, чтобы гарантировать, что эти ограничения не будут превышены.

Рекомендации по зарядке литий-ионных аккумуляторов

Зарядка литий-ионных аккумуляторов требует особого алгоритма зарядки. Это осуществляется в несколько этапов, описанных ниже:

Капельная подзарядка (предварительная зарядка)

Если уровень заряда аккумулятора очень низкий, то он заряжается с пониженным постоянным током, который обычно составляет около 1/10 от полной скорости зарядки, описанной ниже.

В это время напряжение аккумулятора увеличивается, и когда оно достигает заданного порогового значения, скорость заряда увеличивается до полной скорости заряда.

Обратите внимание, что некоторые зарядные устройства разделяют этот этап непрерывной зарядки на две части: предварительная зарядка и постоянная зарядка, в зависимости от того, насколько низкое напряжение батареи изначально.

Полная ставка

Если напряжение батареи изначально достаточно высокое, или если батарея заряжена до этого момента, то запускается этап полной скорости заряда.

Это также этап зарядки постоянным током, и на этом этапе напряжение аккумулятора продолжает медленно расти.

Конический заряд

Когда напряжение аккумулятора поднимается до максимального зарядного напряжения, начинается стадия постепенного заряда. На этом этапе зарядное напряжение поддерживается постоянным.

Это важно, поскольку литий-ионные аккумуляторы катастрофически выйдут из строя, если их зарядить при более высоком напряжении, чем их максимальное напряжение. Если это зарядное напряжение поддерживается постоянным на этом максимальном значении, то зарядный ток будет медленно уменьшаться.

Прерывание / прекращение

Когда зарядный ток снизился до достаточно низкого значения, зарядное устройство отключается от аккумулятора. Это значение обычно составляет 1/10 или 1/20 от полного зарядного тока.

Важно не заряжать литий-ионные аккумуляторы постоянно, так как это снизит производительность и надежность аккумулятора в долгосрочной перспективе.

Хотя в предыдущем разделе описаны различные этапы зарядки, конкретные пороговые значения для различных этапов не были предоставлены.Начиная с напряжения, каждый тип литий-ионного аккумулятора имеет собственное напряжение на клеммах полного заряда.

Для наиболее распространенных типов LCO и NCM это 4,20 В. Есть некоторые с 4,35 В и 4,45 В.

Для типов LFP это 3,65 В. Пороговое значение непрерывного заряда до полного заряда составляет около 3,0 и 2,6 для типов LCO / NMC и LFP соответственно.

Зарядное устройство, предназначенное для зарядки литий-ионных аккумуляторов одного типа, например LCO, нельзя использовать для зарядки аккумулятора другого типа, например аккумулятора LFP.

Обратите внимание, однако, что есть зарядные устройства, которые можно настроить для зарядки нескольких типов. Обычно для этого требуются разные значения компонентов в конструкции зарядного устройства, чтобы соответствовать каждому типу аккумуляторов.

Что касается зарядного тока, то здесь требуется небольшое пояснение. Емкость литий-ионного аккумулятора традиционно указывается как мАч, или миллиампер-час, или Ач. Сама по себе эта единица не является единицей накопления энергии. Чтобы получить реальную энергоемкость, необходимо учитывать напряжение аккумулятора.

На рис. 3 показана типичная кривая разрядки литий-ионной батареи типа LCO. Поскольку напряжение разряда имеет наклон, среднее напряжение батареи на всей кривой разряда принимается за напряжение батареи.

Это значение обычно составляет от 3,7 до 3,85 В для типов LCO и 2,6 В для типов LFP. Умножив значение мАч на среднее напряжение батареи, мы получим мВтч, или емкость накопления энергии, данной батареи.

Ток зарядки аккумулятора указан в единицах C-rate, где 1C численно совпадает с емкостью аккумулятора в мА.Таким образом, батарея емкостью 1000 мАч имеет значение C 1000 мА. По разным причинам максимально допустимая скорость зарядки литий-ионной батареи обычно составляет от 0,5 ° C до 1 ° C для типов LCO и 3 ° C или более для типов LFP.

«Академия оборудования предоставляет группу высококвалифицированных инженеров для наставничества и создания условий для процветания. Теперь меня окружают талантливые амбициозные люди, которые любят помогать другим».

- Крис Кристофер (член Академии оборудования)

Батарея, конечно, может состоять как минимум из одной ячейки, но может состоять из многих ячеек в комбинации последовательно соединенных групп параллельно соединенных ячеек.

Сценарий, приведенный ранее, применим к одноэлементным батареям. В случаях, когда батарея состоит из нескольких ячеек, необходимо масштабировать зарядное напряжение и зарядный ток, чтобы они соответствовали друг другу.

Таким образом, зарядное напряжение умножается на количество последовательно соединенных ячеек или группы ячеек, и, аналогично, зарядный ток умножается на количество параллельно подключенных ячеек в каждой последовательно соединенной группе.

Рисунок 3 - Типичная кривая разрядки батареи типа LCO

Еще одним очень важным дополнительным фактором, который необходимо учитывать при зарядке литий-ионных аккумуляторов, является температура.Литий-ионные аккумуляторы нельзя заряжать при низких или высоких температурах.

При низких температурах ионы лития движутся медленно. Это может вызвать скопление ионов лития на поверхности анода, где они в конечном итоге превратятся в металлический литий. Поскольку это образование металлического лития принимает форму дендритов, оно может пробить сепаратор, вызывая внутренние короткие замыкания.

В верхнем диапазоне температур проблема заключается в избыточном тепловыделении. Зарядка аккумулятора не на 100% эффективна, и во время зарядки выделяется тепло.Если внутренняя температура сердечника становится слишком высокой, электролит может частично разложиться и превратиться в газообразные побочные продукты. Это приводит к необратимому уменьшению емкости аккумулятора, а также к вздутию.

Типичный диапазон температур для зарядки литий-ионных аккумуляторов составляет от 0 ° C до 45 ° C для высококачественных аккумуляторов или от 8 ° C до 45 ° C для более дешевых аккумуляторов. Некоторые батареи также позволяют заряжаться при более высоких температурах, примерно до 60 ° C, но с пониженной скоростью зарядки.

Все эти соображения обычно выполняются специальными микросхемами зарядного устройства, и настоятельно рекомендуется использовать такие микросхемы независимо от фактического источника зарядки.

Зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные зарядные устройства

можно разделить на две основные категории: линейные и переключаемые зарядные устройства. Оба типа могут соответствовать требованиям, указанным ранее в отношении правильной зарядки литий-ионных аккумуляторов. Однако у каждого из них есть свои преимущества и недостатки.

Достоинством линейного зарядного устройства является его относительная простота. Однако главный его недостаток - неэффективность. Например, если напряжение питания составляет 5 В, напряжение аккумулятора составляет 3 В, а зарядный ток составляет 1 А, линейное зарядное устройство будет рассеивать 2 Вт.

Если это зарядное устройство встроено в продукт, необходимо отвести много тепла. Именно поэтому линейные зарядные устройства чаще всего используются в тех случаях, когда максимальный зарядный ток составляет около 1А.

Для больших аккумуляторов предпочтительны переключаемые зарядные устройства. В некоторых случаях они могут иметь КПД до 90%. Недостатками являются его более высокая стоимость и несколько большие требования к площади схемы из-за использования индукторов в ее конструкции.

Рассмотрение источника зарядки

Различные приложения могут использовать разные источники зарядки.Например, это может быть прямой адаптер переменного тока с выходом постоянного тока или блок питания. Это также может быть USB-порт от настольного компьютера или аналогичных устройств. Это также может быть сборка солнечных батарей.

Из-за возможности передачи энергии этими различными источниками необходимо дополнительно рассмотреть конструкцию фактической схемы зарядного устройства, помимо простого выбора линейного или переключаемого зарядного устройства.

Самый простой случай - это когда источник зарядки обеспечивает регулируемый выход постоянного тока, такой как адаптер переменного тока или блок питания.Единственное требование - выбрать зарядный ток, который не превышает максимальную скорость зарядки аккумулятора или мощность источника питания.

Зарядка от источника USB требует немного большего внимания. Если порт USB относится к типу USB 2.0, он будет соответствовать стандарту зарядки аккумулятора USB 1.2 или BC 1.2.

Это требует, чтобы любая нагрузка, в данном случае зарядное устройство аккумулятора, не потребляла более 100 мА, если только нагрузка не указана в источнике. В этом случае допускается принимать 500 мА при 5 В.

Если порт USB - USB 3.1, он может следовать за USB BC1.2, или в конструкцию может быть включена активная схема контроллера для согласования увеличения мощности по протоколу USB Power Delivery или USB PD.

Солнечные элементы в качестве источника зарядки представляют собой еще один набор проблем. Напряжение-ток солнечного элемента, или VI, чем-то похож на обычный диод. Обычный диод не будет проводить заметного тока ниже минимального значения прямого напряжения, а затем может пропускать гораздо больший ток при лишь небольшом увеличении прямого напряжения.

С другой стороны, солнечный элемент может подавать ток до определенного максимума при относительно ровном напряжении. При превышении этого значения тока напряжение резко падает.

Итак, солнечное зарядное устройство должно иметь схему управления питанием, которая модулирует ток, потребляемый от солнечного элемента, чтобы не приводить к слишком низкому выходному напряжению.

К счастью, существуют микросхемы, такие как TI BQ2407x, BQ24295 и другие, которые могут работать с одним или несколькими из перечисленных выше источников.

Настоятельно рекомендуется потратить время на поиск подходящего зарядного чипа, а не на создание зарядного устройства с нуля.

Если вам нужна помощь экспертов, которые уже делали все это раньше, обязательно посетите Hardware Academy .

Другой контент, который может вам понравиться:

Вот правда, лежащая в основе самых больших (и самых глупых) мифов о батареях

Итак, хотя можно зарядить батарею более чем на 100 процентов, единственный способ сделать это - извлечь больше этих важных ионов лития. «Это было бы похоже на вытаскивание всех опор из пола здания», - говорит Гриффит. Вы можете извлечь ионы лития, но удачи с их возвращением, если вы испортили внутреннюю структуру.

Вот почему производители устанавливают ограничения на количество заряда своих аккумуляторов. В большинстве случаев они настроены таким образом, что только половина лития в слое оксида лития-кобальта удаляется за одну полную зарядку. «Ваша батарея могла бы дать вам больше заряда, если бы вы удалили половину лития, но вы не сможете делать это очень много раз».

Подробнее: Взрывная гонка за полностью изобретать аккумулятор для смартфона

Использование Wi-Fi и Bluetooth в фоновом режиме значительно снижает время автономной работы

True

Помимо экрана, один из Самый большой расход заряда аккумулятора - это энергия, которую ваш телефон тратит, пытаясь найти и подключиться к Wi-Fi или сетям передачи данных.Если вы когда-нибудь замечали, что батарея резко разряжается в поезде, вероятно, это связано с тем, что ваше устройство работает сверхурочно, чтобы подключиться к мобильной сети. «Если вы можете подключиться к чему-то стабильному, например, если в поезде есть Wi-Fi, вероятно, лучше подключиться к нему», - говорит Гриффит. Уменьшение яркости экрана и времени, на которое телефон ложится в спящий режим, также являются простыми способами продлить срок службы батареи.

Использование неофициального зарядного устройства приводит к повреждению вашего телефона

True

Не все зарядные устройства для телефонов одинаковы, и это может отрицательно сказаться на сроке службы аккумулятора вашего телефона.Зарядные устройства имеют всевозможные элементы управления, которые ограничивают количество подаваемого тока и останавливают его зарядку, когда аккумулятор полностью заряжен, но некоторые зарядные устройства сторонних производителей могут не иметь таких строгих настроек безопасности.

И если на батарею подается слишком большой ток, это может означать, что вырвется слишком много ионов лития и приведет к такому же виду деградации, о котором вы читали ранее. «Нельзя сказать, что все зарядные устройства сторонних производителей будут такими плохими, - отмечает Гриффит, - но вам все же, вероятно, лучше придерживаться официальной модели.

Зарядка телефона через компьютер или ноутбук приведет к повреждению аккумулятора.

Неверно

Во всяком случае, более медленная зарядка, вероятно, хороша для аккумуляторов, говорит Гриффит. Это снова возвращается к тем ионам лития - вы чувствуете здесь какую-то тему? Чем медленнее вы заряжаете аккумулятор, тем меньше нагрузка на ионы лития и структуры, принимающие их, и тем меньше вероятность повреждения аккумулятора. Вот почему производители устанавливают ограничения на устройства, чтобы они не заряжались слишком быстро.

Выключение устройства изредка помогает продлить срок службы батареи

Неверно

Это тоже миф, но не полностью необоснованный.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *