Принцип заряда li ion аккумуляторов

Li ion аккумуляторы: правила зарядки и эксплуатации, что нельзя делать с литий-ионными батареями

Основная часть техники работает от Li-ion аккумуляторов, как правильно заряжать и эксплуатировать такие батареи, необходимо знать каждому пользователю. Устройства получили популярность за счет компактности и высокого уровня энергосбережения.

Что представляет собой литий-ионный аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор представляет собой вид элемента питания (АКБ), на основе которого работает электронная техника и электромобили. Литий – самый легкий металл. Его электрохимический потенциал обеспечивает оптимальную характеристику плотности на единицу массы.

В отличие от устройств другого типа, литиевые аккумуляторы содержат отрицательные пластины из металлического лития. За счет этого батареи обладают высоким напряжением на всех элементах. Современные батареи имеют длительный срок службы за счет способности выдерживать множество циклов заряд-разряд и отсутствия «эффекта памяти».

Название «литий-ионный» произошло от основных используемых элементов:

• литий-феррофосфат;
• кобальтат лития;
• литий-марганцевая шпинель.

В качестве переносчика заряда выступают положительные ионы лития, которые свободно перемещаются в кристаллической решетке материала и провоцируют необходимую химическую реакцию.

Идентичными особенностями обладают литий-полимерные аккумуляторы. Главным отличием от Li-ion является отсутствие в составе жидкого электролита, а также высокая стоимость.

Как правильно заряжать Li-ion аккумулятор

При эксплуатации литий-ионных аккумуляторов, необходимо правильно заряжать устройство и контролировать этот процесс. Зарядка осуществляется по специальной схеме, а контроль при помощи дополнительных плат или обычного сопротивления (резистора).

Двухступенчатая схема зарядки

Двухступенчатая схема заряда является оптимальным способом зарядки литиевых аккумуляторов. В этом случае контроллер заряда имеет повышенную нагрузку, однако это не сказывается на сроке службы устройства.

Выполнение первого этапа зависит от того, каким током будет насыщаться устройство. Номинальная величина тока равна 0,2-0,5 С (С – емкость аккумулятора), а мощность 12,6 вольт. Постоянный зарядный ток обеспечивается путем работы зарядного устройства (ЗУ), которое поднимает потенциалы на клеммах аккумулятора. При отметке в 4,2 В батарея набирает 70-80% заряда, и первый этап заканчивается.

Второй этап характеризуется постоянным напряжением и постепенно снижающимся током. Устройство поддерживает потенциал на отметке 4,15-4,25 В и контролирует параметры тока. Чем выше показатель, тем меньше становиться ток. Величина 0.05-0.01 С говорит об окончании процесса.

Как контролируют параметры зарядки

Литиевые аккумуляторы нуждаются в контроле, так как они работают в узком диапазоне изменения напряжения. Оптимальным значением считается 3 – 4,2 В. Контроллер установлен в зарядном устройстве, однако каждая батарея имеет свои прерыватели и модули защиты. В случае нарушения какого-либо параметра защитная функция отключает банку и разрывает цепь.

Контроллер обеспечивает различные функции управления:

• переводит режимы CC/CV;
• контролирует подачу энергии в банках;
• подает ток, компенсирующий саморазряд;
• измеряет температуру, предотвращая порчу батареи;
• отключает зарядку.

Зарядить аккумулятор без контроллера можно, используя резистор, включенный последовательно с устройством. Собрать схему своими руками несложно, если предварительно будут рассчитаны сопротивление, мощность резистора и ток заряда.

Эксплуатация Li-ion батарей

Первую зарядку батареи после покупки новой техники необходимо выполнять после полного разряда. То есть заряжать его сразу не нужно, необходимо довести прибор до выключения, а потом зарядить полностью.

В первую очередь это касается телефонов и ноутбуков.

При эксплуатации устройств с литий-ионными батареями необходимо следить за местом их нахождения. В холодную и жаркую погоду важно контролировать температуру батареи, не допуская перегрева (переохлаждения). Для этого существуют специальные программы, с помощью которых отслеживаются показатели.

Работа при температуре выше 30°C сказывается на способности батареи держать емкость. Уровень падает с 100% до 80%. Когда устройство полностью зарядилось, следует отключать его от источника тока. В противном случае емкость аккумулятора со временем будет снижаться, и батарея выйдет из строя.

Современные блоки питания способны минимизировать поступающий ток после полного заряда. Однако такая функция не дает гарантии сохранности аккумулятора. Заряжать устройство необходимо при отметке 30-50%. Постоянная полная разрядка сопровождается выделением тепла в большем объеме, это негативно сказывается на состоянии батареи.

Не стоит подключать к питанию устройства, которые работали в стрессовом режиме и получили перегрев. В этом случае необходимо дождаться, пока температура снизится, и только после этого ставить заряжаться.

Чрезвычайно холодную батарею следует вытащить из техники и нагреть в руках, а затем вставить обратно.

Для устройств, которые допускают извлечение батареи, отличным решением является приобретение резервного аккумулятора. В этом случае время работы приспособления возрастает в 2 раза. Когда основной аккумулятор разряжается, в устройство помещается запасной элемент. Удобно решение для техники, которая быстро нагревается, так как сменное устройство дает время основному остыть.

Калибровка

Выделяют 2 метода калибрования:

Калибровка производится по схеме: полный разряд-полный заряд аккумулятора. Необходима процедура для восстановления показателей и корректной работы контроллера.

Второй метод отображает больше информации и позволяет осуществить дополнительные программные манипуляции. В остальном оба способа различий не имеют.

Вначале необходимо в стандартном режиме разрядить технику до выключения. Затем подключить к заряднику. Во время процедуры печатная плата батареи определяет предельные рамки зарядки и разрядки, это необходимо для предотвращения сбоев в дальнейшей работе.

Проводят калибровку 1 раз в 3 месяца.

Заряжают аккумулятор оригинальным прибором, который шел в комплекте с техникой. Отключать от сети устройство можно, когда индикатор заряда покажет 100%. Для достижения максимальной рабочей емкости рекомендуется провести 2-3 повторных цикла «разряд-заряд».

Хранение

Для предотвращения негативных воздействий на литий-ионный аккумулятор со стороны внешних факторов необходимо придерживаться таких правил:

• на время хранения батарею извлекать из устройства;
• перед извлечением рекомендуется зарядить аккумулятор до 50%;
• хранят источник в сухом и прохладном месте.

Норма температуры для содержания батареи +15…+17°С. Такие показатели обеспечивают максимальную сохранность элемента и его емкости.

Литий-ионные устройства имеют низкий показатель саморазряда, поэтому хранить их можно более 2 лет. Однако избежать потери емкости невозможно, даже выполняя правильные условия хранения. Независимо от того, сколько зарядное не будет использоваться, необходимо каждые 3 месяца делать калибровку, а после нее возвращать уровень заряда до 50%.

Чего не нужно делать с литий-ионными аккумуляторами

Предотвращение перегрева является залогом длительной работы батареи. Литий – активный щелочной металл, поэтому при нагреве в аккумуляторе может начаться реакция, приводящая к воспламенению. Запрещается держать литий-ионные батареи вблизи источников солнечных лучей, батарей и открытого огня. Особенно это касается смартфонов и ноутбуков.

Наряду с перегревом нельзя допускать и переохлаждения. Губительных последствий низкие температуры не вызовут, однако снизят емкость батареи.

Запрещено разбирать аккумуляторный элемент. Такая процедура приводит к воспламенению. Нельзя заряжать элемент в обход контроллера. Исключение делают лишь в случае, если аккумулятор необходимо вывести из состояния глубокого разряда.

Источник

Аккумуляторы для мобильных устройств — методы заряда

Старушка купила автомобиль, проехала некоторое расстояние, и вдруг двигатель заглох. Вызванная служба технической поддержки констатировала — закончился бензин. Недоумевающая старушка подает в суд: при продаже ей никто не объяснил, что в машину еще нужно заливать бензин…

Итак, аккумуляторы надо заряжать. В этом их существенное отличие от батареек. Но прежде чем говорить о зарядных устройствах, коротко остановимся на основных методах заряда наиболее распространенных типов аккумуляторов. Следует отметить, что методы заряда аккумуляторов на основе никеля отличаются от методов заряда литий-ионных аккумуляторов. Поэтому при заряде последних обращайте внимание на то, в какое зарядное устройство вы их вставляете. Иными словами, не всякое зарядное устройство для никель-кадмиевых (NiCd) и никель-металл гидридных (NiMH) аккумуляторов годится для заряда литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов.

Несколько слов о терминологии. Емкость аккумулятора обычно обозначается буквой «C» (capacity). Когда говорят о разряде, равном 1/10 C, то это означает разряд током, равным десятой части от величины номинальной емкости аккумулятора. Так, например, для аккумулятора емкостью 1000 мА·час это будет разряд током 1000/10 = 100 мА. Теоретически, аккумулятор емкостью 1000 мА·час может отдавать ток 1000 мА в течение одного часа, 100 мА в течение 10 часов, или 10 мА в течение 100 часов. Практически же, при высоких значениях тока разряда номинальная емкость никогда не достигается, а при низких токах превышается.

Аналогично при заряде аккумуляторов, значение 1/10 C означает заряд током, численно равным десятой части заявленной емкости аккумулятора.

Методы заряда NiCd и NiMH аккумуляторов

Существующие методы можно разделить на 4 основные группы:

• медленный заряд — заряд постоянным током величиной 0.1 С или 0.2 С в течение примерно 15 или 6-8 часов соответственно.
• быстрый заряд — заряд постоянным током, равным 1/3 С в течение примерно 3-5 часов.
• ускоренный или дельта V заряд — заряд с начальным током заряда, равным величине номинальной емкости аккумулятора, при котором постоянно измеряется напряжение на аккумулятора и заряд заканчивается после того, как аккумулятор полностью заряжен. Время заряда примерно час-полтора.
• реверсивный заряд — импульсный метод заряда, при котором короткие импульсы разряда распределяются между длинными зарядными импульсами.

Сразу оговорюсь: разделение это достаточно условно и зависит от фирмы-изготовителя аккумуляторов. Подход к вопросу о заряде аккумуляторов примерно такой: фирма разрабатывает различные типы аккумуляторов под различные применения и устанавливает для каждого типа рекомендации и требования по наиболее благоприятным методам заряда. В результате одинаковые по внешнему виду (размерам) аккумуляторы (одиночные элементы) могут потребовать применения различных методов заряда. Иллюстрацией данного подхода могут служить материалы, размещенные на [1] и [2].

Медленный метод заряда

При таком методе возможно несколько вариантов: заряд полупостоянным током и заряд постоянным током.

При заряде полупостоянным током начальное значение тока устанавливается примерно равным 1/10 С. По мере продолжения заряда это значение уменьшается. Время заряда примерно 15-16 часов. Практически метод реализуется зарядом через токозадающий резистор от источника постоянного напряжения (см. [1] для NiCd аккумуляторов). Медленный заряд током в 1/10 C — обычно безопасен для любого аккумулятора.

При заряде постоянным током значение тока величиной 1/10 С поддерживается в течение всего времени заряда. (Рис.1)

Рисунок 1. Медленный метод заряда NiCd и NiMH аккумуляторов

Во время заряда наблюдается повышение напряжения на элементе аккумулятора. По достижении полного заряда и при перезаряде напряжение начинает уменьшаться.

Сокращение времени заряда в 2-2,5 раза возможно при увеличении тока до 0,2 С, но при этом необходимо ограничить время заряда 6-8 часами.

Метод быстрого заряда

Разновидностью медленного заряда является метод быстрого заряда, при котором используется ток заряда величиной от 0,3 до 1,0 C. Но при этом возможен перегрев аккумулятора, особенно при токах заряда, близких к 1 C. Для исключения перегрева и определения момента окончания заряда аккумулятора, в последний встраивается термопредохранитель и термодатчик. Термодатчик используется для измерения температуры, изменение которой рассматривается в качестве критерия для прекращения заряда. Дело в том, что при достижении полного заряда, температура элементов аккумулятора резко повышается. И когда она повысится на 10 градусов Цельсия и более по отношению к окружающей среде, заряд необходимо прекратить, или перейти в режим медленного заряда. При любом методе заряда в случае, если применяются большие токи заряда, дополнительно требуется предохранительный таймер.

Метод дельта V заряда

Это наилучший и, пожалуй, основной метод быстрого заряда NiCd и NiMH аккумуляторов для сотовых телефонов. Сущность метода заключается в измерении изменения напряжения на аккумуляторе для определения (фиксирования) момента полного заряда и необходимости его прекращения.

Если измерять напряжение на выводах аккумулятора во время заряда постоянным током, то можно заметить, что напряжение сначала медленно повышается, а в точке полного заряда будет кратковременно уменьшаться. Величина уменьшения небольшая, примерно 15-30 мВ на элемент для NiCd и 5-10 для NiMH, но явно выражена. Этот небольшой спад напряжения и принимается за критерий прекращения заряда. Кроме того, метод дельта V заряда почти всегда сопровождается измерением температуры, что обеспечивает дополнительный критерий оценки степени заряда аккумулятора (а для верности зарядные устройства для больших аккумуляторов высокой емкости обычно имеют кроме этого и таймеры безопасности).

Рисунок 2. Метод дельта V заряда NiCd и NiMH аккумуляторов

На рис.2 приведен график заряда с током величиной в 1 C. После достижения полного заряда, ток заряда уменьшается до 1/30 … 1/50 C для компенсации явления саморазряда аккумулятора.

Существуют электронные схемы, разработанные специально для реализации метода дельта V заряда. Например MAX712 и MAX713. Реализация заряда по этому методу сложнее и дороже, чем другие, но дает хорошо воспроизводимые результаты. В тоже время следует отметить, что в аккумуляторе с хотя бы одним плохим элементом из цепочки последовательно соединенных, метод дельта V заряда может не работать и привести к разрушению остальных элементов.

NiMH аккумуляторы имеют специфические проблемы с зарядом. Величина дельта V у них очень мала, и ее труднее обнаружить, чем в случае NiCd аккумуляторов. Поэтому NiMH аккумуляторы для сотовых телефонов имеют температурные датчики в качестве резервного средства для обнаружения момента полного заряда.

Другая проблема, возникающая при заряде по этому методу, заключается в том, что при использовании в автомобилях электрические помехи маскируют обнаружение дельта V, и телефоны в основном управляют зарядом по температуре. Это может привести к повреждению аккумулятора, поскольку в автомобиле телефон постоянно подключен и многократные запуски и остановки двигателя имеет место. Каждый раз, когда зажигание выключается на несколько минут и затем включается обратно, инициируется новый цикл заряда.

Реверсивный метод заряда

В анализаторах аккумуляторов Cadex 7000 [3,4] и CASP/2000L(H) используются реверсивные импульсные методы заряда, при котором короткие импульсы разряда распределяются между длинными зарядными импульсами. Считается, что такой метод заряда улучшает рекомбинацию газов, возникающих в процессе заряда, и позволяет проводить заряд большим током за меньшее время. Кроме того, восстанавливается площадь активной поверхности рабочего вещества аккумулятора, устраняя тем самым «эффект памяти».

На рис.3 схематично изображена временная диаграмма реверсивного метода заряда NiCd и NiMH аккумуляторов, реализованная в анализаторе Cadex 7000. Цифрой 1 обозначен нагрузочный (разрядный) импульс, а цифрой 2 — зарядный.

Рисунок 3. Реверсивный метод заряда NiCd и NiMH аккумуляторов

Величина обратного импульса нагрузки определяется в процентах от тока заряда в диапазоне от 5 до 12%. Оптимальное значение 9%.

Метод заряда литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов

Для заряда Li-ion аккумуляторов используется метод «постоянное напряжение / постоянный ток», суть которого заключается в ограничении напряжения на аккумуляторе. В этом он подобен методу заряда свинцово-кислотных аккумуляторов (SLA). Основные отличия заключаются в том, что для Li-ion аккумуляторов — выше напряжение на элемент (номинальное напряжение элемента 3,6 В против 2 В для SLA), более жесткий допуск на это напряжение (±0,05 В) и отсутствие медленного подзаряда по окончании полного заряда.

Для примера приведем требования и рекомендации по заряду и разряду литий-ионных аккумуляторов фирмы Panasonic [1]:

• максимальное напряжение заряда 4,2 или 4,1 вольта в зависимости от модели аккумулятора;
• напряжение окончания разряда 3,0 вольта;
• рекомендуемый ток заряда 0,7 С, ток разряда (нагрузки) — 1 С и меньше;
• если напряжение на аккумуляторе менее 2,9 вольта, то рекомендуемый ток заряда 0,1 С;
• глубокий разряд может привести к повреждению аккумулятора (т. е. должно соблюдаться общее правило — Li-ion аккумуляторы любят скорее находиться в заряженном состоянии, чем в разряженном, и заряжать их можно в любое время, не дожидаясь разряда);
• по мере приближения напряжения на аккумуляторе к максимальному значению, ток заряда уменьшается. Окончание разряда должно происходить при уменьшении тока заряда до (0,1 … 0,07) С в зависимости от модели аккумулятора. После окончания заряда ток заряда прекращается полностью.
• диапазон температур при заряде от 0 до 45 градусов Цельсия, при разряде от минус 10 до 60 градусов Цельсия.

Приведенные выше данные могут отличаться в ту или иную сторону для аккумуляторов других производителей.

В то время как для SLA аккумуляторов допустима некоторая гибкость в установке значения напряжения прекращения заряда, для Li-ion аккумуляторов изготовители очень строго подходят к выбору этого напряжения. Порог напряжения прекращения заряда для Li-ion аккумуляторов 4,10 В или 4,20 В, допуск на установку для обоих типов ±0,05 В на элемент. Для вновь разрабатываемых Li-ion аккумуляторов, вероятно, будут определены другие значения этого напряжения. Следовательно, зарядные устройства для них должны быть адаптированы к требуемому напряжению заряда.

Более высокое значение порога напряжения обеспечивает и большее значение емкости, поэтому в интересах изготовителя выбрать максимально возможный порог напряжения без нарушения безопасности. Однако на величину этого порога влияет температура аккумулятора, и его устанавливают достаточно низким для того, чтобы допустить повышенную температуру при заряде.

В зарядных устройствах и анализаторах аккумуляторов, которые позволяют изменять значение этого порога напряжения, его правильная установка должна соблюдаться при обслуживании любых аккумуляторов Li-ion типа. Однако большинство изготовителей не обозначают тип Li-ion аккумулятора и напряжения окончания заряда. И, если напряжение установлено неправильно, то аккумулятор с более высоким напряжением выдаст более низкое значение емкости, а аккумулятор с более низким — будет немного перезаряжен. При умеренной температуре повреждения аккумуляторов не происходит.

Именно в этом, как правило, и заключается причина того, что аккумулятор, заряженный, например, в «родном» телефоне, работает меньшее или большее время, чем этот же аккумулятор, заряженный в настольном зарядном устройстве неизвестного производителя.

Повышение температуры аккумулятора при заряде незначительно (от 2 до 8 градусов в зависимости от типа и производителя)

Вмешательство потребителя в любое Li-ion зарядное устройство не рекомендуется.

Медленный подзаряд по окончании заряда, характерный для аккумуляторов на основе никеля, не применяется, потому что Li-ion аккумулятор не терпит перезаряда. Медленный заряд может вызвать металлизацию лития и привести к разрушению элемента. Вместо этого время от времени для компенсации маленького саморазряда аккумулятора из-за небольшого тока потребления устройством защиты может применяться кратковременный заряд.

Li-ion аккумуляторы содержат несколько встроенных устройств защиты: плавкий предохранитель, термопредохранитель и внутреннюю схему управления, которая отключает аккумулятор в нижней и верхней точках напряжения разряда и заряда.

Меры предосторожности: Никогда не пытайтесь заряжать литиевые батарейки! Попытка зарядить эти аккумуляторы может вызывать взрыв и воспламенение, которые распространяют ядовитые вещества и могут причинить повреждения оборудованию.

Меры безопасности: В случае разрушения литий-ионного аккумулятора, утечки электролита и попадания его на кожу или глаза, немедленно промойте эти места проточной водой. Если электролит попал в глаза, промойте их проточной водой в течение 15 минут и обратитесь к врачу.

При написании статьи использованы материалы, любезно предоставленные г-ном Isidor Buchmann, основателем и главой Канадской компании Cadex Electronics Inc. [3].

Более подробная информация на русском языке об аккумуляторах для мобильной техники связи, компьютеров и других портативных приборов, советы по эксплуатации и обслуживанию приведены в [4,5,6,7] .

О зарядных устройствах для мобильных устройств связи в следующей статье.

Источник