Меню

Литиевые батарейки для зарядного устройства

Литиевые батарейки для зарядного устройства

Когда-то аккумуляторы были тяжёлыми и неуклюжими предметами, выдававшими смехотворно мало энергии для своего размера и веса. К счастью, со временем технологии улучшаются, и в 2020 году у нас есть прекрасные мощные литий-полимерные аккумуляторы, выдающие столько энергии, сколько может понадобиться вашему мобильному проекту. Однако при их использовании нужно учесть некоторые моменты – поэтому предлагаю вам прочесть руководство для начинающих о том, как правильно использовать LiPo в своём проекте.

Так много типов!

Первые коммерческие литий-ионные аккумуляторы вышли на рынок в 1991 году, и за прошедшие с тех пор почти 30 лет мы наблюдали быстрый их прогресс. В итоге у нас появилось множество различных технологий и типов аккумуляторов, делящихся по типу конструкции и используемых материалов. Чтобы правильно обращаться с аккумуляторами, важно знать, какой именно тип попал к вам в руки, и очень важно обратить на это внимание.


Литий-ионные элементы форм-фактора 18650 из ноутбука. Подобные наборы обычно соединяются точечной сваркой никелевых полосок.

Обычно литий-ионными, или Li-ion аккумуляторами называют всю технологию перезаряжаемых литиевых батареек целиком, однако часто так называют традиционные элементы с цилиндрическим металлическим корпусом. Один из вариантов – многоуважаемые 18650, однако вообще их существует множество вариантов и размеров. Их крепкие корпуса сделали их популярными для использования в средствах передвижения, так как последние испытывают значительные физические нагрузки.

Литий-полимерными, или Li-Po называют литий-ионные батарейки, использующие полимерный электролит вместо жидкого. Благодаря этому их можно делать в виде ёмкостей различной формы. Такая гибкость делает их полезными для таких применений, как смартфоны и планшеты, где требуется аккумулятор большой ёмкости и плоской формы. Также их часто используют в радиоуправляемых моделях, поскольку их небольшой вес даёт существенное преимущество летающим аппаратам.


Литий-полимерные пакетные аккумуляторы для использования в радиоуправляемых моделях.

Lithium-HV, или литиевые аккумуляторы высокого напряжения – это литий-полимерные батарейки, использующие специальную кремний-графеновую добавку на плюсовой клемме, благодаря которой она не повреждается высоким напряжением. Если заряжать большинство литиевых аккумуляторов до напряжения выше 4,2 В, они значительно потеряют в ёмкости, а их срок службы будет заметно уменьшаться. Используя эту добавку, можно заряжать элементы до 4,32 В без подобных негативных последствий. Повышение напряжения даёт примерно 10% прибавку к плотности энергии по сравнению с обычными литий-полимерными аккумуляторами.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы , или LiFePO4, используют немного изменённую химию, благодаря чему они могут выносить больше циклов заряда/разряда за счёт немного меньшей энергетической ёмкости. Лучше всего они работают в диапазоне от 3,0 В до 3,65 В, а не в типичном для стандартной химии литий-ионов диапазоне 3,0-4,2. Благодаря этому и очень плоской кривой разряда делает их идеальными для замены 12 В свинцовых батарей во многих случаях, а вместо оригинальных шести элементов используются четыре. Обычно они более стабильными, меньше подвержены саморазряду и потере ёмкости со временем.

Уважайте границы


Ошибка может привести к неприятным результатам

По сравнению с большинством типов аккумуляторов, литиевые элементы плохо переносят неправильное обращение. Разряд ниже нижнего предела приводит к формированию медных дендритов, из-за чего у них уменьшается ёмкость и может произойти короткое замыкание. Перезаряд может привести к повреждению анода отложениями лития, из-за чего могут образоваться литиевые дендриты, что часто приводит к короткому замыканию или самоподдерживающейся реакции с выделением тепла – аккумулятор начинает дымиться и гореть. Также каждый элемент в группе нужно поддерживать на том же уровне напряжения, что и все его соседи, чтобы элементы не слишком быстро деградировали.

Важно не заряжать литиевые элементы слишком быстро. Также на эффективность работы аккумуляторов сильно влияет окружающая температура. Литиевые аккумуляторы не любят температур ниже нуля, особенно при полном заряде. Их нельзя заряжать при отрицательной температуре. Поскольку металлический литий может отложиться на минусовом электроде, что может повредить элемент или вызвать короткое замыкание. В принципе, их можно заряжать при температуре до -5°C, однако это нужно делать очень медленно. Кроме того, аккумуляторы могут повредиться, если заряжать их при температурах выше 45°C.

При выходе за указанные пределы в лучшем случае вы просто убьёте аккумулятор, в худшем случае он загорится и взорвётся. Кроме того, эти элементы подвержены раздуванию, выделению газа, да и вообще кажутся не очень удобными в работе. Может показаться, что иметь с ними дело чересчур сложно. К счастью, современная электроника научилась справляться с их проблемами. Правильное оборудование и меры предосторожности дают возможность использовать литиевые аккумуляторы безопасно и эффективно. Однако все, кто работает с ними, должны уяснить себе потенциальные опасности. Боб Бэддели в прошлом ноябре опубликовал отличную статью на эту тему.

Работа с аккумуляторами

В случае использования отдельных элементов или их групп, к примеру, при использовании LiPo аккумуляторов в радиоуправляемых моделях, достаточно просто использовать специальное зарядное устройство для литиевых аккумуляторов. При зарядке нужно подключать провода для проверки балансировки [позволяют измерять напряжение на каждом из элементов по отдельности / прим. перев.], особенно если батарея разрядилась полностью. Наибольшей эффективности в работе батарей можно добиться при использовании умных зарядных устройств (особенно в случаях с LiFePO4 и элементами высокого напряжения). Убедитесь, что у вас есть способ остановить разрядку батарей в случае слишком сильного понижения напряжения – будь то предупреждающий световой индикатор, звуковой сигнал или просто автоматическое отключение.


Подобные модули отлично подходят для интеграции литиевых аккумуляторов в прототип

Если вашему устройству требуется интегрированный аккумулятор, вам подойдут специальные платы защиты и заряда. Существуют готовые модули и интегральные схемы, позволяющие без проблем контролировать работу литий-ионных батарей. В принципе их множество – от тех, которые просто разрывают контур при понижении напряжения, до комплексных решений по зарядке и защите. Такие компании, как Adafruit, продают модули, которые отлично подойдут для начинающих любителей электроники, желающих интегрировать удобное решение по заряду и контролю аккумуляторов без необходимости проектировать платы самостоятельно. Однако существуют открытые решения, которые будет легко интегрировать в собственную плату в будущем.


Система управления батареей (BMS) для аккумуляторов из 12 элементов, способного выдавать до 60 А.

Для более крупных проектов с самостоятельно собранными батареями хорошо подойдут системы управления батареей (BMS). BMS, по сути, не сильно отличается от микросхемы защиты, она просто разработана для более крупных задач. BMS обычно используется для аккумуляторов, состоящих из десятка или более элементов, и часто в таких проектах, как электровелосипеды и другие средства передвижения. BMS паяется непосредственно к аккумуляторам, и подсоединяется к каждому элементу в отдельности [к группе элементов, соединённых параллельно / прим. перев.]. Её задача – балансировка элементов, ограничение тока разрядки для безопасности, управление процессом зарядки. Опытные сборщики батарей часто интегрируют BMS в корпус или кожух самого аккумулятора, оставляя снаружи только коннектор. Это позволяет пользователю просто добавить готовый аккумулятор в свой проект, не беспокоясь о защите.

Если вашему проекту необходима особая устойчивость к воздействию окружающей среды, вам также придётся отслеживать температуру аккумулятора. Отслеживать температуру ячеек, в особенности во время зарядки – отличный способ защитить аккумулятор от повреждения. У лучших чипов и BMS есть функция отслеживания температуры. На таком уровне сборки вы уже будете делать батарею самостоятельно, внедряя термопары в нужные места во время сборки. Для аккумуляторов, выдающих большие токи, температуры нужно отслеживать в обязательном порядке. Практически во всех электровелосипедах и электромобилях есть оборудование для отслеживания температуры аккумуляторов и управляющих систем.

Литий-ионные батарейки могут быть опасными, но при правильном использовании они достаточно безопасны для большинства проектов. Главное – использовать правильное оборудование, чтобы убедиться, что вы не выйдете за пределы диапазонов напряжения и температуры, иначе может случиться беда. Надеюсь, что данная инструкция поможет вам в поисках информации по включению литиевых аккумуляторов в свой проект.

Источник



Аккумуляторы и батареи

Информационный сайт о накопителях энергии

Литиевые батарейки

Мир наполнен приборами, игрушками, которые мертвы, если отсутствует источник энергии – батарейка. Гальванический элемент, преобразующий химическую энергию в электрическую, знают все. Одноразовое устройство – батарейка, с возможностью цикличной зарядки – аккумуляторная батарейка. Литиевые источники энергии имеют высокую плотность заряда, работают дольше, выполняют те же задачи, что солевые, алкалиновые.

Ассортимент литиевых батареек

Устройство и состав литиевой батарейки

Здесь описываются гальванические элементы, работающие на необратимой реакции окисления. Отданный заряд не восстанавливается, батарейка называется одноразовой. Элемент состоит из анода, выполненного из металлического лития, катода из твердых MnO2, Fes2, Cuo, CFx, жидких SO2, SOCl2. Продолжается поиск других солей с высоким сродством к восстановлению. Окислителем выступает активный литий, отдающий электроны. Корпус аккумулятора герметичный, с выводами клемм и их маркировкой. Надпись «do not recharge»- повторно не заряжать, предупредит, что литиевая батарейка одноразовая.

Читайте также:  Что такое зарядное устройство для погрузчика

Существует 2 типа батареек по конструкции:

  • бобинные;
  • спиральные.

Бобинные литиевые батарейки служат до 20 лет, применяются потребителями, не превышающими запрос в 150 мА. Срок службы элементов до 20 лет.

Спиральные конструкции имеют большую поверхность лития, импульсно дают до 4 А, при постоянном токе — 0,1-1,8 А. Но саморазряд этих устройств достигает 10 % в год от первоначальной емкости. Элементы с любым составом катода выпускают в двух типах. Литиевые батарейки могут быть круглыми, призматическими или в форме таблеток.

Спиральная литиевая батарейка

Крупными и признанными производителями литиевых батареек считают EVE, Minamoto, SAFT, Robiton, Varta, Tekcell. Небольшие производства есть в Китае.

Свойства литиевых батареек с разными анодными парами

В зависимости от химического состава катода в связке с металлическим литием, меняется емкость и напряжение на клеммах элемента, их саморазряд и способность работать в диапазоне температур.

  1. Li/MnO2 — батарейка литиевая маркируется как «CR». Электролитом является перхлорат лития. Номинальное напряжение 3 В, саморазряд 2,5 % за год, срок годности до 10 лет. Температура рабочей среды -20 +55 0 С. Форма – преобладает таблетка.
  2. Li/CuO, по рабочему напряжению 1,2-1,5 В идентичны щелочным, но заряд она вмещает в 3 раза больше. Рабочий температурный интервал -10 +70. Срок службы 10 лет.
  3. Li/SO2 — одни из самых распространенных видов литиевых батареек. Катод представляет пластификатор с графитом и сажей. Электролитом служит диоксид жидкий с компонентами для электропроводности. Рабочее напряжение 2,6-2,9 В. В конструкции не смогли избежать повышения давления в корпусе и сильный разогрев при КЗ, пришлось ставить предохранитель давления. Литиевые батарейки хорошо работают на морозе до -60 0 и в жару +70 0 , сохраняют заряд до 10 лет.
  4. Li/I2 — тип батарейки без электролита. Химическая реакция 2Li+I2 >2LiI происходит в твердом составе, диффузией. Полученная соль тоже твердая, выступает в роли сепаратора. Работает батарейка до 15 лет, надежны, используются в кардиостимуляторах.
  5. Li/FeS2 – лучшие литиевые батарейки, востребованы, несмотря на высокую цену. Такие элементы работают с устройствами большой мощности, имеют защиту по току, предохранитель, срабатывающий на 85-90 0 и клапан сброса давления. Чаще используются в форм-факторе АА.
  6. Li/CFx – разновидность литиевых батареек, работающих при высокой температуре, до +85 0 . За 10 лет на саморазряд уходит 20 % емкости. Используются в дефибрилляторах, кардиостимуляторах и портативной электронике.
  7. Li/SOCl2 – самая энергоемкая литиевые батарейки. Напряжение без нагрузки больше, чем 3,6 В. При работе поддерживается 3,3- 3,5 В. В качестве электролита применен тионилхлорид, агрессивный компонент. Верхний предел работоспособности +(85-130) 0 С. Нижний – минус 60, но при сильно упавшей емкости элемента. Предусмотрена защита от взрыва в виде термовыключателя, плавких предохранителей и клапана избыточного давления.

Размеры литиевых батареек

Чтобы правильно подобрать нужный источник энергии, необходимо знать его геометрические размеры и форму. Показатели стандартизированы, разберемся в типоразмерах литиевых одноразовых батареек. Используется классификация США.

Отдельные типы литиевых батареек можно посмотреть на фото.

крона АА дюймовочка D пальчиковая

При выборе литиевой батарейки важна маркировка, по ней можно определить тип элемента. Для литиевой батарейки на корпусе большими буквами будет напечатано CR, на щелочной LR, на солевой R.

Всегда ли литиевые батарейки предпочтительнее щелочных? Изделия отлично работают в любых условиях. Но всегда ли экономически выгодно покупать батарейку литиевую в 5 раз дороже, если на малом токе они превосходит алкалиновые в 1,5-2 раза? Какие лучше, решается в каждом случае, применительно к решаемым задачам.

Необходимо учесть, что запас энергии на всех типах литиевых батареек больше в несколько раз. Чтобы не перепутать устройства, производители делают Li АКБ с особыми выводами.

Литиевые батарейки ААА

Мы рассмотрим одноразовую батарейку с литиевым анодом типа ААА. Компактное устройство имеет пассивный слой на аноде, предупреждающий реакцию. Даже кратковременная подача тока разрушит слой и приведет в негодность батарейку. В отличие от солевых мизинчиковых батареек, литиевые разогреются настолько, что могут взорваться. Зарядка литиевых одноразовых батареек запрещена!

Как горят литиевые батарейки

Если замкнуть плюс и минус у литиевой батарейки, она тоже может загореться. Поэтому, необходимо соблюдать следующие правила:

  • провода к контактам не крепят паяльником;
  • батарейку не носят в кармане, где случайно могут быть металлические мелкие предметы;
  • перевозить элементы нужно в специальном чехле или футляре;
  • не оставлять батарейку под прямыми лучами солнца.

Стоит ли покупать литиевую батарейку ААА, которая стоит дороже алкалиновой в 5 раз. Учитывая, что работает она в 7 раз дольше, и легче на 35 %, стоит.

Срок годности литиевых батареек

При правильном хранении, литиевые батарейки АА будут безотказно работать, если их подключить в течение 10 лет. Зачастую, тог саморазряда составляет 2 % в год при хранении в комнатных условиях, t = 20 0 С.

Дату выпуска и срок годности можно найти на корпусе в виде буквенно-цифрового кода. Зашифровано по разному, только в цифрах, 5 знаков означает число, месяц и год (40615), а код 9А14 следует читать 9 января 2014 года. Срок годности вынесен отдельно. Срок годности действителен, если батарейка находится в упаковке и ею никогда не пользовались.

Маркировка даты изготовления

Литиевые или алкалиновые батарейки, какие лучше

Алкалиновые и щелочные батарейки одно и то же. Воспользуемся тестированием специалистами Росконтроля, пальчиковых ААА батареек и сравним их с литиевыми. Так как идеальных элементов на случаи импульсной и постоянной умеренной и слабой нагрузки нет, предлагается определить, где предпочтительнее использовать щелочные, а где литиевые батарейки и какие лучше.

Результаты исследований показали, что для импульсных токовых нагрузок с высокой мощностью лучше купить литиевую батарейку – прослужит столько же, что 3 щелочных, но весит она намного меньше, чем аварийный запас из нескольких другого вида.

В пультах и часах, в детских игрушках оптимально использовать алкалиновые аккумуляторы, по стоимости выгоднее. Малые токи быстро истощают заряд литиевой батарейки, и проработает она почти столько же, что и щелочная.

Можно ли заряжать литиевые батарейки

аАккумуляторные батарейки

Одноразовые литиевые батарейки заряжать нельзя! аккумуляторные батарейки используют со специальным зарядным устройством. Они могут выдержать до 1000 перезарядов, существенно сэкономив бюджет на покупку одноразовых элементов.

Как определить, что перед вами, аккумулятор или одноразовая батарейка? Сведения перед глазами. На аккумуляторе указывается емкость в mAh, на литиевой батарейке такой информации нет. Намекнет на аккумулятор цена, она высокая. На изделии обязательно найдется маркировка «rechargeable» — перезаряжаемая.

Если вы профессионально работаете с фотовспышкой и другой мощной аппаратурой, купите плоскую полимерную или цилиндрическую заряжаемую литиевую батарейку. Это выгоднее, чем приобретать в большом количестве одноразовые элементы.

Зарядное устройство для литиевых батареек

ЗУ литиевых аккумуляторов

Не всяким устройством можно заряжать литиевые батарейки. Лучше купить специальное, которое само ведет 2 этапа зарядки, выводит на дисплей текущие показатели и во время отключит аккумулятор от питания. Как заряжать литиевую батарейку, если она полимерная? Различий нет, принцип действия у них один. Стоит такой зарядник недорого, около 20$, хорошо, если функция измерения емкости в наличии.

Любой зарядник должен преобразовать, стабилизировать сетевое напряжение, воздавая на выходе 5 В. Сила тока регулируемая 0,5 -1,0* С. С – емкость батареи в А-ч, МА-ч, в цифровом выражении. Зарядка предусмотрена по ускоренной схеме, до 80 % от емкости и по полной схеме, в 2 этапа, примерно около 3 часов. После полного набора энергии зарядник отключается.

Тестирование процесса зарядки

Видео

Все разнообразие литиевых современных источников энергии и о том, как заряжать литиевую батарейку представлено на видео.

Источник

Как правильно заряжать аккумуляторный электроинструмент

Процесс зарядки аккумуляторного инструмента довольно тривиален и достаточно неинформативен: аккумулятор устанавливается в зарядное устройство, после чего последнее включается в розетку. Как только индикатор укажет на полный заряд — все, процесс можно считать завершенным.

Это видимая сторона медали. На самом деле, в зависимости от типа используемых источников питания, в паре «аккумулятор/зарядное устройство» протекают процессы, сильно разнящиеся друг от друга. Рассмотрим их более детально.

Как правильно заряжать NiCd аккумуляторы

Никель-кадмиевые источники питания до сих пор можно встретить во многих видах аккумуляторного инструмента. Они достаточно дешевы, неприхотливы и просты в использовании.

К сильным сторонам NiCd батарей можно смело отнести:

  • долговечность. Аккумуляторы этого типа способны без особых потерь выдержать порядка 1000 циклов заряда/разряда без существенной потери емкости, позволяя ей оставаться на уровне 80 %. Пик производительности NiCd элемента питания приходится на первые 300-400 циклов заряда/разряда;
  • высока нагрузочная способность. Источник питания выдает стабильный ток разряда практически во всем диапазоне своей емкости.
Читайте также:  Зарядное устройство bosch gal 1230cv

Из графика видно, что при токе разряда величиной 1С стабильность напряжения на клеммах аккумулятора сохраняется в диапазоне 80 % его емкости. Падение напряжения проявляется при расходе оставшихся 20 % заряда.

Здесь следует сделать одно очень важное отступление.

Ток заряда и ток разряда аккумулятора принято «привязывать» к емкости источника питания, которая обозначается символом «С». К примеру, у аккумулятора емкостью 1000 мА∙ч ток разряда, обозначенный как 1С, составит 1 А.

  • сохранение рабочих характеристик при отрицательных температурах. Пожалуй, это единственные представители аккумуляторных систем, которые без проблем могут как работать, так и заряжаться на морозе;
  • длительное хранения без потери рабочих характеристик. Только NiCd аккумуляторы позволительно хранить долгое время полностью разряженными;
  • невысокая стоимость аккумуляторных элементов.

К недостаткам никель-кадмиевых источников питания относятся:

  • необходимость в первоначальном обслуживании. Для «вывода» аккумулятора на номинальное значение его емкости потребуется произвести 5–7 полных циклов заряда/разряда;
  • наличие «эффекта памяти», существенно снижающего емкость аккумулятора. Источник питания не рекомендуется заряжать при его неполном разряде, поскольку это чревато деградацией элемента и существенной потерей эксплуатационных характеристик.

«Эффект памяти» — потеря емкости аккумулятора вследствие кристаллизации электролита, ведущей к уменьшению площади активной поверхности для протекания электрохимических реакций.

  • высокий саморазряд. Неиспользуемая аккумуляторная батарея теряет до 10 % заряда в первые сутки хранения, и до 20 % своей емкости в течение месяца;
  • необходимость технического обслуживания. Чтобы аккумуляторы долгое время сохраняли свои эксплуатационные характеристики, их нужно раз в три месяца подвергать циклу полного заряда/разряда, даже если они не используются;
  • рост давления при высокой температуре. При нагреве «банки» элемента до 70˚С в области электродов активно выделяется кислород. В конструкции элемента предусмотрен защитный клапан, стравливающий чрезмерное давление, но характеристики аккумулятора при его срабатывании безвозвратно снижаются;
  • токсичность кадмия. Элементы этого типа требуют соблюдения особых условий утилизации.

Для качественного заряда и использования имеющейся мощности NiCd аккумулятора по максимуму, его следует заряжать малым зарядным током, величина которого составляет порядка 0,1С. Да, подготовка аккумулятора к работе займет уйму времени (порядка 14–16 часов), но это исключит его нагрев и порчу.

Ускорить зарядку можно используя следующую схему:

  • первые 10 % емкости — зарядка током 2С;
  • с 10 % до 70 % — током 1,5С;
  • остаток до 100 % — током 0,5С.

Такая схема позволит получить полностью заряженный источник питания по прошествии 5–6 часов. Главное, чтобы зарядное устройство было качественным и обеспечивало такой алгоритм зарядки (умело отслеживать наполнение емкости банок аккумулятора по росту температуры и/или росту напряжения на выводах элемента) и своевременно меняло величины зарядных токов.

Как правильно заряжать NiMH аккумуляторы

Довольно схожи с NiCd источниками питания по параметрам и эксплуатационным характеристикам никель-металл гидридные аккумуляторы. Но они более экологичны, поскольку не содержат кадмия.

NiMH источники питания обладают практически теми же «плюсами», что и их предшественники. При этом «эффект памяти» у них менее выражен, им присуща большая емкость при тех же массогабаритных показателях.

Без нескольких ложек дегтя тоже не обошлось. Во-первых, NiMH аккумуляторы несколько дороже никель-кадмиевых собратьев. Во-вторых, жизненный цикл источников питания ограничен 500 циклами. В-третьих, у металл гидридных аккумуляторов больший саморазряд, достигающий 30 % потерь в месяц.

Чтобы сохранить работоспособность элементов, неиспользуемых длительное время, хранить их нужно в полностью заряженном состоянии, периодически устраивая им полный цикл разряда с последующим зарядом.

Методология зарядки NiMH аккумуляторов схожа с зарядкой никель-кадмиевых элементов, но имеет свои особенности. Во-первых, заряжать их малыми токами (0,1С–0,3С) довольно проблематично, поскольку зарядному устройству сложно «отследить» полный заряд батареи, а большие токи приводят к чрезмерному нагреву элемента и его ускоренной деградации. Оптимальным считается зарядка аккумуляторов токами 0,5С. Во-вторых, следует четко контролировать время заряда рекомендованное производителем. Дело в том, что никель-металл гидридные аккумуляторы очень любят перезаряд и возникающий вследствие него перегрев.

Нужно четко контролировать температуру аккумуляторов! При ее превышении значения в 45 ˚С зарядку следует прервать полностью или остановить на время, необходимое для остывания элементов. Это действие существенно продлит их срок службы.

Поскольку NiMH аккумуляторы более привередливы к режиму зарядки, категорически запрещается использовать для их пополнения энергией зарядное устройство, предназначенное для NiCd аккумуляторов. Его более «топорные» алгоритмы заряда гарантированно выведут металл-гидридный элемент из строя.

Обратная совместимость зарядок позволительна. Никель-кадмиевые источники питания без проблем заряжаются зарядными станциями от NiMH аккумуляторов.

Как правильно заряжать Li-Ion аккумуляторы

Новые модели электроинструмента, в большинстве своем оснащаются Li-Ion источниками питания. Сильными сторонами литиевых аккумуляторов являются:

  • малый вес. Это очень важное свойство, поскольку речь идет о ручном инструменте, который приходится держать в руках по несколько часов кряду;
  • высокая удельная емкость литиевых элементов. При одинаковых габаритных размерах с аккумуляторами предыдущих поколений, емкость Li-Ion батареи будет превышать их в 1,5–3 раза;
  • низкий саморазряд. При длительном хранении неиспользуемый аккумулятор разряжается ориентировочно на 5 % в месяц;
  • практически отсутствует «эффект памяти», что дает конечному пользователю возможность подзаряжать аккумулятор по мере необходимости, не особо заморачиваясь с контролем остатка заряда;
  • высокая энергоэффективность. Пиковые токи нагрузки могут превышать 30С, хотя наилучшие результаты в плане отдачи энергии достигаются при значениях, не превышающих 10С.

Недостатки тоже имеются:

  • крайне плохая переносимость низких температур. Емкость падает просто катастрофически;
  • высокая стоимость, обусловленная ценой материалов, используемых при изготовлении элементов и необходимостью наличия в схеме BMS-контроллера батареи (BMS — Battery Monitoring System), отслеживающего параметры «здоровья» аккумулятора;

BMS-контроллер отслеживает уровень напряжения на каждом элементе аккумуляторной сборки и принудительно отключает его при достижении значения 4,2 В. Превышение этого порога может привести к возгоранию аккумулятора.

  • ограниченный жизненный цикл. Li-Ion аккумулятор, как правило, может пережить 1000 циклов заряда/разряда без существенной потери емкости.

На длительное хранение литиевые аккумуляторы рекомендуется отправлять наполовину заряженными.

Для зарядки Li-Ion источников питания применяется так называемый алгоритм CC/CV (constant current/constant voltage), означающий сначала зарядку постоянным по величине током, а затем напряжением с постоянным значением.

На первом этапе поддерживается постоянное значение тока заряда, которое находится в диапазоне 0,5С-1С.

Производители Li-Ion аккумуляторов рекомендуют заряжать их изделия током 0,8С и ниже, для продления срока службы элементов.

На этом этапе напряжение на контактах довольно быстро растет. При достижении значения в 4,2 В на один элемент, что составляет порядка 80 % от полной емкости батареи, начинается второй этап зарядки, при котором напряжение поддерживается на достигнутом уровне, а ток постепенно снижается до значений 0,05С–0,1С. При их достижении зарядка считается оконченной.

Как правило, стандартное время зарядки Li-Ion аккумулятора составляет 2–3 часа, но оно во многом зависит от емкости используемой в электроинструменте батареи и имеющегося в арсенале мастера зарядного устройства.

Чтобы ориентировочно оценить время зарядки, нужно емкость аккумулятора разделить на ток заряда, выдаваемый зарядным устройством.

Быстрая зарядка аккумуляторного инструмента

Теоретически, возможность быстрой зарядки присутствует во всех рассмотренных типах аккумуляторов. В случае с NiCd и NiMH источниками питания, возможна быстрая зарядка большими токами (1С–3С) до 70 % от заявленной емкости, но краеугольным камнем является необходимость контроля температуры заряжаемых источников питания, поскольку существует огромная вероятность лавинообразного роста давления внутри элемента и его физического повреждения.

В лагере литиевых аккумуляторов ситуация несколько иная. В продаже можно встретить достаточное количество «быстрых зарядок», с номинальными значениями зарядных токов 8 А и даже 16 А.

Но здесь важно понимать, что их максимальные величины будут использоваться лишь на первом этапе зарядки, до достижения элементами порога в 4,2 В, а далее зарядка идет по обычному сценарию.

Конечно, быстрые зарядки существенно экономят время, но производители крайне неохотно идут по пути увеличения тока, прекрасно понимая, что такие режимы (зарядные токи достигают 2С или даже 3С) существенно снижают жизненный цикл аккумулятора. Репутация дороже.

Внимательный читатель возразит, что, мол, в мобилках давно и повсеместно используются технологии быстрой зарядки, и они практически никак не сказываются на снижении жизненного цикла аккумулятора! И будет прав, но лишь отчасти. Здесь мы сталкиваемся с большой маркетинговой уловкой, которая под видом «быстрой зарядки» предлагает пользователю щадящую аккумулятор технологию с зарядными токами уровня 0,9С–1,1С (при стандартных 0,5С–0,8С). Когда как в настоящей «быстрой зарядке» речь идет о значениях зарядных токов, начиная от 2С.

Читайте также:  Зарядное устройство для телефона микро usb на 2 ампера

Но пора остыть и вернуться к последнему графику, чтобы понять, что производителю просто невыгодно «убивать» аккумулятор смартфона, ставя под сомнение надежность своей марки.

Более наглядно о технологии быстрой зарядки рассказано в видеоблоге:

Хотя в ролике речь идет о мобильных устройствах, озвученные в нем тезисы, справедливы и для литий-ионных аккумуляторов для электроинструмента.

Источник

Руководство по перезаряжаемым литиевым аккумуляторам для начинающих

Когда-то аккумуляторы были тяжёлыми и неуклюжими предметами, выдававшими смехотворно мало энергии для своего размера и веса. К счастью, со временем технологии улучшаются, и в 2020 году у нас есть прекрасные мощные литий-полимерные аккумуляторы, выдающие столько энергии, сколько может понадобиться вашему мобильному проекту. Однако при их использовании нужно учесть некоторые моменты – поэтому предлагаю вам прочесть руководство для начинающих о том, как правильно использовать LiPo в своём проекте.

Так много типов!

Первые коммерческие литий-ионные аккумуляторы вышли на рынок в 1991 году, и за прошедшие с тех пор почти 30 лет мы наблюдали быстрый их прогресс. В итоге у нас появилось множество различных технологий и типов аккумуляторов, делящихся по типу конструкции и используемых материалов. Чтобы правильно обращаться с аккумуляторами, важно знать, какой именно тип попал к вам в руки, и очень важно обратить на это внимание.


Литий-ионные элементы форм-фактора 18650 из ноутбука. Подобные наборы обычно соединяются точечной сваркой никелевых полосок.

Обычно литий-ионными, или Li-ion аккумуляторами называют всю технологию перезаряжаемых литиевых батареек целиком, однако часто так называют традиционные элементы с цилиндрическим металлическим корпусом. Один из вариантов – многоуважаемые 18650, однако вообще их существует множество вариантов и размеров. Их крепкие корпуса сделали их популярными для использования в средствах передвижения, так как последние испытывают значительные физические нагрузки.

Литий-полимерными, или Li-Po называют литий-ионные батарейки, использующие полимерный электролит вместо жидкого. Благодаря этому их можно делать в виде ёмкостей различной формы. Такая гибкость делает их полезными для таких применений, как смартфоны и планшеты, где требуется аккумулятор большой ёмкости и плоской формы. Также их часто используют в радиоуправляемых моделях, поскольку их небольшой вес даёт существенное преимущество летающим аппаратам.


Литий-полимерные пакетные аккумуляторы для использования в радиоуправляемых моделях.

Lithium-HV, или литиевые аккумуляторы высокого напряжения – это литий-полимерные батарейки, использующие специальную кремний-графеновую добавку на плюсовой клемме, благодаря которой она не повреждается высоким напряжением. Если заряжать большинство литиевых аккумуляторов до напряжения выше 4,2 В, они значительно потеряют в ёмкости, а их срок службы будет заметно уменьшаться. Используя эту добавку, можно заряжать элементы до 4,32 В без подобных негативных последствий. Повышение напряжения даёт примерно 10% прибавку к плотности энергии по сравнению с обычными литий-полимерными аккумуляторами.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы , или LiFePO4, используют немного изменённую химию, благодаря чему они могут выносить больше циклов заряда/разряда за счёт немного меньшей энергетической ёмкости. Лучше всего они работают в диапазоне от 3,0 В до 3,65 В, а не в типичном для стандартной химии литий-ионов диапазоне 3,0-4,2. Благодаря этому и очень плоской кривой разряда делает их идеальными для замены 12 В свинцовых батарей во многих случаях, а вместо оригинальных шести элементов используются четыре. Обычно они более стабильными, меньше подвержены саморазряду и потере ёмкости со временем.

Уважайте границы


Ошибка может привести к неприятным результатам

По сравнению с большинством типов аккумуляторов, литиевые элементы плохо переносят неправильное обращение. Разряд ниже нижнего предела приводит к формированию медных дендритов, из-за чего у них уменьшается ёмкость и может произойти короткое замыкание. Перезаряд может привести к повреждению анода отложениями лития, из-за чего могут образоваться литиевые дендриты, что часто приводит к короткому замыканию или самоподдерживающейся реакции с выделением тепла – аккумулятор начинает дымиться и гореть. Также каждый элемент в группе нужно поддерживать на том же уровне напряжения, что и все его соседи, чтобы элементы не слишком быстро деградировали.

Важно не заряжать литиевые элементы слишком быстро. Также на эффективность работы аккумуляторов сильно влияет окружающая температура. Литиевые аккумуляторы не любят температур ниже нуля, особенно при полном заряде. Их нельзя заряжать при отрицательной температуре. Поскольку металлический литий может отложиться на минусовом электроде, что может повредить элемент или вызвать короткое замыкание. В принципе, их можно заряжать при температуре до -5°C, однако это нужно делать очень медленно. Кроме того, аккумуляторы могут повредиться, если заряжать их при температурах выше 45°C.

При выходе за указанные пределы в лучшем случае вы просто убьёте аккумулятор, в худшем случае он загорится и взорвётся. Кроме того, эти элементы подвержены раздуванию, выделению газа, да и вообще кажутся не очень удобными в работе. Может показаться, что иметь с ними дело чересчур сложно. К счастью, современная электроника научилась справляться с их проблемами. Правильное оборудование и меры предосторожности дают возможность использовать литиевые аккумуляторы безопасно и эффективно. Однако все, кто работает с ними, должны уяснить себе потенциальные опасности. Боб Бэддели в прошлом ноябре опубликовал отличную статью на эту тему.

Работа с аккумуляторами

В случае использования отдельных элементов или их групп, к примеру, при использовании LiPo аккумуляторов в радиоуправляемых моделях, достаточно просто использовать специальное зарядное устройство для литиевых аккумуляторов. При зарядке нужно подключать провода для проверки балансировки [позволяют измерять напряжение на каждом из элементов по отдельности / прим. перев.], особенно если батарея разрядилась полностью. Наибольшей эффективности в работе батарей можно добиться при использовании умных зарядных устройств (особенно в случаях с LiFePO4 и элементами высокого напряжения). Убедитесь, что у вас есть способ остановить разрядку батарей в случае слишком сильного понижения напряжения – будь то предупреждающий световой индикатор, звуковой сигнал или просто автоматическое отключение.


Подобные модули отлично подходят для интеграции литиевых аккумуляторов в прототип

Если вашему устройству требуется интегрированный аккумулятор, вам подойдут специальные платы защиты и заряда. Существуют готовые модули и интегральные схемы, позволяющие без проблем контролировать работу литий-ионных батарей. В принципе их множество – от тех, которые просто разрывают контур при понижении напряжения, до комплексных решений по зарядке и защите. Такие компании, как Adafruit, продают модули, которые отлично подойдут для начинающих любителей электроники, желающих интегрировать удобное решение по заряду и контролю аккумуляторов без необходимости проектировать платы самостоятельно. Однако существуют открытые решения, которые будет легко интегрировать в собственную плату в будущем.


Система управления батареей (BMS) для аккумуляторов из 12 элементов, способного выдавать до 60 А.

Для более крупных проектов с самостоятельно собранными батареями хорошо подойдут системы управления батареей (BMS). BMS, по сути, не сильно отличается от микросхемы защиты, она просто разработана для более крупных задач. BMS обычно используется для аккумуляторов, состоящих из десятка или более элементов, и часто в таких проектах, как электровелосипеды и другие средства передвижения. BMS паяется непосредственно к аккумуляторам, и подсоединяется к каждому элементу в отдельности [к группе элементов, соединённых параллельно / прим. перев.]. Её задача – балансировка элементов, ограничение тока разрядки для безопасности, управление процессом зарядки. Опытные сборщики батарей часто интегрируют BMS в корпус или кожух самого аккумулятора, оставляя снаружи только коннектор. Это позволяет пользователю просто добавить готовый аккумулятор в свой проект, не беспокоясь о защите.

Если вашему проекту необходима особая устойчивость к воздействию окружающей среды, вам также придётся отслеживать температуру аккумулятора. Отслеживать температуру ячеек, в особенности во время зарядки – отличный способ защитить аккумулятор от повреждения. У лучших чипов и BMS есть функция отслеживания температуры. На таком уровне сборки вы уже будете делать батарею самостоятельно, внедряя термопары в нужные места во время сборки. Для аккумуляторов, выдающих большие токи, температуры нужно отслеживать в обязательном порядке. Практически во всех электровелосипедах и электромобилях есть оборудование для отслеживания температуры аккумуляторов и управляющих систем.

Литий-ионные батарейки могут быть опасными, но при правильном использовании они достаточно безопасны для большинства проектов. Главное – использовать правильное оборудование, чтобы убедиться, что вы не выйдете за пределы диапазонов напряжения и температуры, иначе может случиться беда. Надеюсь, что данная инструкция поможет вам в поисках информации по включению литиевых аккумуляторов в свой проект.

Источник