Самая хорошая зарядка для литий ионных аккумуляторов. Принцип работы батареи. Литий-ионный АКБ: порог насыщения
Подробное описание литий-ионных батарей 18650, изготовление аппарата для зарядки своими руками, нюансы применения.
ТЕСТ:
Чтобы понять, обладаете ли вы достаточной информацией о литий-ионном аккумуляторе:- В чем заключался главный недостаток первых моделей батарей 18650?
а) Они взрывались из-за металлического лития внутри – при частых зарядках на элементе появлялись накопления, приводящие к взрыву.
б) Батарея была слишком громоздкая и неудобная.
- От какой проблемы пока не избавились производители современных моделей 18650?
а) Батарея часто перегревается.
б) Аккумулятор быстро теряет заряд при попадании в отрицательные температуры.
- В каком температурном диапазоне желательно хранить батарею?
а) + 10 — + 25 – идеальные показатели. Аккумулятор не переносит слишком холодных или жарких помещений.
б) Храните аккумулятор при низких температурах, когда он не используется.
в) При температуре +30-45 градусов.
- Почему нельзя приобретать зарядное устройство, изготовленное в Китае?
а) Корпус слишком ненадежный.
б) Детали низкого качества, верная технология сборки не всегда соблюдена.
- При каком уровне заряда желательно хранить батарею?
а) Хранение 18650 следует осуществлять на уровне заряда, не падающего ниже 50%. Полную разрядку производить нельзя.
б) Не ниже 10%.
Ответы:
- а) Главный недостаток первых моделей – взрывоопасность. Металлический литий обрастал наростами при частых зарядках и происходило замыкание, приводящее к взрыву батареи.
- б) Современные батареи плохо переносят низкие температуры – заряд падает очень быстро.
- а) + 10 — + 25 – идеальные показатели. Нельзя помещать батарею в иные условия.
- б) Китайские производители часто использует некачественные детали при сборке аппаратов, поэтому они выходят из строя. Еще не всегда соблюдается правильная технология сборки.
- а) Если батарею планируете долго держать без работы, то проследите, чтобы заряд на ней не падал ниже 50%, иначе аккумулятор испортится.
Владельцы литий-ионных аккумуляторов 18650 сталкиваются с вопросом о том, каким током его заряжать. Также возникают трудности правильностью эксплуатации, люди точно не знают, чего боятся подобные батареи, как увеличить продолжительность их работы.
Чтобы самостоятельно собрать электронную сигарету или фонарик, то обязательно нужно изучить все аспекты работы с литий-ионным источником питания.
Определение : Литий-ионный аккумулятор — это батарея электрического тока, получившее большое распространение среди бытовой электронной техники с 1991 года. Именно в этом году корпорация Sony презентовала продукт на широком рынке.
Ответы на 5 часто задаваемых вопросов
- Для чего используются литий-ионные батареи?
— В качестве источника питания. Подобные батареи часто применяют для различных мобильных телефонов, видеокамер, ноутбуков, для подзарядки электромобилей или современных электронных сигарет.
- У моделей есть недостатки?
— Основной недостаток модели заключался в том, что первые разработки буквально взрывались. Это объясняется тем, что производители поместили внутрь анод, состоящий из металлического лития. Когда происходит большое количество зарядов и разрядов, то на аноде появляются образования, приводящие к замыканию электродов. В результате происходит возгорание, а после и взрыв. На данный момент эта проблема решена.
- Как решилась проблема со взрывами?
— Чтобы обезопасить конструкцию, ученые заменили сердцевину на графит, и от проблемы со взрывами избавились. Но остались трудности с катодом, вызванные из-за конструкции из оксида кобальта. Если нарушались эксплуатационные характеристики, то взрывы повторялись. Именно поэтому нужно было следить, чтобы устройство не подвергалось перезарядке. Пользователям было крайне неудобно постоянно следить за уровнем зарядки и разработчикам пришлось вновь модифицировать устройство. Современные модели безопасны. Когда разработчики начали использовать литий-ферро-фосфатные батареи, то и от этой проблемы удалось избавиться. Современное устройство выпускают таким образом, чтобы перезаряд и перегрев был невозможен.
- Современные модели имеют недостатки?
— Заряд теряется, если батарея попадает под воздействия низких температур.
- Если долго не использовать батарею, то она испортится?
– Если не опускать уровень разреженности ниже 50%, то не испортится.
3 преимущества батареи
Литий-ионные аккумуляторы имеют ряд положительных моментов из-за чего и приобрели популярность:
- Очень большая емкость аккумулятора.
- Маленький саморазряд.
- Нет необходимости в специальном обслуживании.
Зарядка – 5 нюансов
Зарядка
Посмотрите на картинке оригинальное зарядное устройство. Зарядное устройство, предназначающееся для литий-ионных аккумуляторов, очень похоже на свинцово-кислотный тип батареи. Разница заключается в том, что у литий-ионного аккумулятора имеется высокие напряжения на каждой банке и серьезные требования допусков по напряжению.
Это интересно! Аккумулятор называют «банкой» из-за схожести с алюминиевыми банками, в которых выпускают прохладительные напитки.
«Банки»
Самые популярные элементы питания с этой формой — 18650. Это название аккумулятор получил из-за размеров: диаметр — 18 мм, высота — 65 мм. Когда идёт зарядка свинцово-кислотных аккумуляторов, допускаются небольшие неточности в указаниях напряжений. Но с литий-ионными устройствами всё намного конкретнее. Когда происходит зарядка, и напряжение увеличивается до 4,2 Вольт, напряжение на элемент нужно сразу же прекратить. Погрешность составляет всего 0,5 Вольт.
Китайская зарядка
На рынке встречается большое количество китайских зарядок, рассчитанных на элементы питания разных материалов. Без ущерба работоспособности ионные батареи заряжают током в 0,8 А. Но напряжение в банке придется предельно четко контролировать. Когда величина составит 4,2 Вольт, сразу же прекращаем зарядку. Но в том случае, если в банку встраивается контроллер, тогда не стоит беспокоиться об этом, поскольку аппарат всё сделает самостоятельно.
Зарядки 4,2 Вольт
В качестве зарядника для литий-ионной батареи используют стабилизатор напряжения, ограниченный ток в самом начале зарядки. Использовать необходимо исключительно стабильное напряжение, и ограничение тока в самом начале процесса зарядки. Зарядку следует заканчивать в тот момент, когда стабильное напряжение равняется 4,2 Вольт, отсутствует ток, или его величина очень маленькая — в районе 5-7 мА.
Окисление
Когда в аккумулятор помещают стержень из графита, то напряжение не должно превышать 4,1 В на один элемент. При пренебрежением этим правилом, энергетическая плотность сильно возрастет, начнутся процессы окисления устройства. В итоге аккумулятор выйдет из строя. Чтобы избежать окисления, современные модели оснащаются добавками — графита в чистом виде внутри нет. Но подобные модели все еще можно найти случайно.
Как правильно заряжать Li-ion аккумуляторы. Параллельное соединение аккумуляторов.
Самодельное зарядное устройство в домашних условиях (своими руками) – 1 схема
Для зарядки 18650 приобретают универсальную зарядку, и используют постоянно мультиметр, чтобы выяснять нужные параметры. Но такое приспособление стоит довольно дорого. Минимальная цена – 2700 рублей.
Вместо этого можно потратить всего несколько часов и собрать зарядное устройство самостоятельно. Плюсами такой сборки является дешевизна, надежность, автоматическое отключение аккумулятора. Все детали, используемые для сборки, найдутся в гараже у любого радиолюбителя. Если чего-то не хватает, это можно купить в ближайшем радиомагазине. Потратить на компоненты придётся максимум 300 рублей.
Если схему правильно собрать, то нет никакой необходимости дополнительной настройки — она сразу будет готова к эксплуатации.
Использовать нужно следующую электрическую схему:
Схема
Положительным моментом является то, что если установить стабилизатор на нужный радиатор, тогда аккумулятор заряжают, не опасаясь, что зарядка загорится. А это точно нельзя сказать о китайских зарядках, которые грешат этим неприятным последствием.
Принцип работы – 4 нюанса
- для начала аккумулятор необходимо зарядить при помощи постоянного тока, который определяется сопротивлением резистора R4;
- после того, как аккумулятор получит напряжение в 4,2 Вольт, аппарат переходит на зарядку постоянного тока;
- когда ток понизится до минимальных значений, светодиод перестанет гореть;
- ток, подзаряжающий литий-ионный аккумулятор, не должен превышать 10% емкости всего аккумулятора. Таким образом, увеличивается срок эксплуатации элементов питания. Если резистор R4 имеет номинал в 11 Ом, то ток цепи должен равняться 100 мА. Если сопротивление равно 5 Ом, тогда ток зарядки должен составлять 230 мА.
Еще важно знать 3 нюанса о «продлении жизни» 18650
- Если аккумулятор нужно будет оставить на какое-то время без работы, то элементы питания желательно хранить в отдельности от устройства, которое они будут питать. Если элемент полностью заряжен, то со временем он утратит какую-то часть своего заряда. В том случае, когда элемент заряжается очень мало, или полностью разряжен, то работоспособность может совсем исчезнуть. Особенно это заметно в период длительной спячки.
- Хранение 18650 следует осуществлять на уровне заряда, не падающего ниже 50%. Полной зарядки и перезарядки элемента ни в коем случае нельзя допускать. Эффект памяти у этого оборудования отсутствует. Зарядку нужно производить до того момента, как заряд полностью иссякнет. Таким образом, работоспособность аккумулятора продлится.
- Аккумулятор запрещено оставлять в слишком холодных или жарких помещениях. Подходящей температурой для хранения является + 10 — + 25 градусов по Цельсию. Если поместить элемент питания на холод, то не только уменьшится время работы, но и испортится химическая система. Все наверняка замечали, что при эксплуатации мобильного телефона зимой заряд батареи резко падает.
Как избежать 4 ошибок при использовании и зарядке литий-ионного АКБ
- В том случае, если вы решили подзаряжать литий-ионный аккумулятор при помощи магазинной зарядки, придется проследить, чтобы она не была произведена в Китае. Обычно подобные устройства собираются из самых дешевых материалов, и нужная технология в них соблюдена не всегда. В результате это может привести к очень печальным последствиям: возгорание и взрыв.
- Если есть желание самостоятельно собрать устройство, то использовать для зарядки аккумулятора нужно ток, который составляет 10% от емкости аккумулятора. Процент может быть и выше, но не превышать 20%.
- Используя ионные элементы питания, не нарушайте правила хранения и эксплуатации, в противном случае возможен перегрев, возгорание и взрыв.
- Если соблюдать все правила эксплуатации, а также верные условия хранения, то срок службы батареи получится продлить.
Топ 3 лучших зарядных устройств для аккумулятора 18650
Для качественной зарядки батареи следует приобретать хорошие устройства, что уже полюбились многим пользователям.
- Nitecore Digicharger D4 – подходит для зарядки сразу нескольких батарей. Максимально проста в использовании.
- Nitecore i2 – один из лучших вариантов современных устройств. Понятное и простое в применении.
- Basen B21 – универсальное устройство для разных видов батарей.
Оценка характеристик того или иного зарядного устройства затруднительна без понимания того, как собственно должен протекать образцовый заряд li-ion аккумулятора. Поэтому прежде чем перейти непосредственно к схемам, давайте немного вспомним теорию.
Какими бывают литиевые аккумуляторы
В зависимости от того, из какого материала изготовлен положительный электрод литиевого аккумулятора, существует их несколько разновидностей:
- с катодом из кобальтата лития;
- с катодом на основе литированного фосфата железа;
- на основе никель-кобальт-алюминия;
- на основе никель-кобальт-марганца.
У всех этих аккумуляторов имеются свои особенности, но так как для широкого потребителя эти нюансы не имеют принципиального значения, в этой статье они рассматриваться не будут.
Также все li-ion аккумуляторы производят в различных типоразмерах и форм-факторах. Они могут быть как в корпусном исполнении (например, популярные сегодня 18650) так и в ламинированном или призматическом исполнении (гель-полимерные аккумуляторы). Последние представляют собой герметично запаянные пакеты из особой пленки, в которых находятся электроды и электродная масса.
Наиболее распространенные типоразмеры li-ion аккумуляторов приведены в таблице ниже (все они имеют номинальное напряжение 3.7 вольта):
| Обозначение | Типоразмер | Схожий типоразмер |
|---|---|---|
| XXYY0
, где XX - указание диаметра в мм, YY - значение длины в мм, 0 - отражает исполнение в виде цилиндра |
10180 | 2/5 AAA |
| 10220 | 1/2 AAA (Ø соответствует ААА, но на половину длины) | |
| 10280 | ||
| 10430 | ААА | |
| 10440 | ААА | |
| 14250 | 1/2 AA | |
| 14270 | Ø АА, длина CR2 | |
| 14430 | Ø 14 мм (как у АА), но длина меньше | |
| 14500 | АА | |
| 14670 | ||
| 15266, 15270 | CR2 | |
| 16340 | CR123 | |
| 17500 | 150S/300S | |
| 17670 | 2xCR123 (или 168S/600S) | |
| 18350 | ||
| 18490 | ||
| 18500 | 2xCR123 (или 150A/300P) | |
| 18650 | 2xCR123 (или 168A/600P) | |
| 18700 | ||
| 22650 | ||
| 25500 | ||
| 26500 | С | |
| 26650 | ||
| 32650 | ||
| 33600 | D | |
| 42120 |
Внутренние электрохимические процессы протекают одинаково и не зависят от форм-фактора и исполнения АКБ, поэтому все, сказанное ниже, в равной степени относится ко всем литиевым аккумуляторам.
Как правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы
Наиболее правильным способом заряда литиевых аккумуляторов является заряд в два этапа. Именно этот способ использует компания Sony во всех своих зарядниках. Несмотря на более сложный контроллер заряда, это обеспечивает более полный заряд li-ion аккумуляторов, не снижая срока их службы.
Здесь речь идет о двухэтапном профиле заряда литиевых аккумуляторов, сокращенно именуемым CC/CV (constant current, constant voltage). Есть еще варианты с ипульсным и ступенчатым токами, но в данной статье они не рассматриваются. Подробнее про зарядку импульсным током можно прочитать .
Итак, рассмотрим оба этапа заряда подробнее.
1. На первом этапе должен обеспечиваться постоянный ток заряда. Величина тока составляет 0.2-0.5С. Для ускоренного заряда допускается увеличение тока до 0.5-1.0С (где С - это емкость аккумулятора).
Например, для аккумулятора емкостью 3000 мА/ч, номинальный ток заряда на первом этапе равен 600-1500 мА, а ток ускоренного заряда может лежать в пределах 1.5-3А.
Для обеспечения постоянного зарядного тока заданной величины, схема зарядного устройства (ЗУ) должна уметь поднимать напряжение на клеммах аккумулятора. По сути, на первом этапе ЗУ работает как классический стабилизатор тока.
Важно: если планируется заряд аккумуляторов со встроенной платой защиты (PCB), то при конструировании схемы ЗУ необходимо убедиться, что напряжение холостого хода схемы никогда не сможет превысить 6-7 вольт. В противном случае плата защиты может выйти из строя.
В момент, когда напряжение на аккумуляторе поднимется до значения 4.2 вольта, аккумулятор наберет приблизительно 70-80% своей емкости (конкретное значение емкости будет зависит от тока заряда: при ускоренном заряде будет чуть меньше, при номинальном - чуть больше). Этот момент является окончанием первого этапа заряда и служит сигналом для перехода ко второму (и последнему) этапу.
2. Второй этап заряда - это заряд аккумулятора постоянным напряжением, но постепенно снижающимся (падающим) током.
На этом этапе ЗУ поддерживает на аккумуляторе напряжение 4.15-4.25 вольта и контролирует значение тока.
По мере набора емкости, зарядный ток будет снижаться. Как только его значение уменьшится до 0.05-0.01С, процесс заряда считается оконченным.
Важным нюансом работы правильного зарядного устройства является его полное отключение от аккумулятора после окончания зарядки. Это связано с тем, что для литиевых аккумуляторов является крайне нежелательным их длительное нахождение под повышенным напряжением, которое обычно обеспечивает ЗУ (т.е. 4.18-4.24 вольта). Это приводит к ускоренной деградации химического состава аккумулятора и, как следствие снижению его емкости. Под длительным нахождением подразумевается десятки часов и более.
За время второго этапа заряда, аккумулятор успевает набрать еще примерно 0.1-0.15 своей емкости. Общий заряд аккумулятора таким образом достигает 90-95%, что является отличным показателем.
Мы рассмотрели два основных этапа заряда. Однако, освещение вопроса зарядки литиевых аккумуляторов было бы неполным, если бы не был упомянут еще один этап заряда - т.н. предзаряд.
Предварительный этап заряда (предзаряд) - этот этап используется только для глубоко разряженных аккумуляторов (ниже 2.5 В) для вывода их на нормальный эксплуатационный режим.
На этом этапе заряд обеспечивается постоянным током пониженной величины до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не достигнет значения 2.8 В.
Предварительный этап необходим для предотвращения вспучивания и разгерметизации (или даже взрыва с возгоранием) поврежденных аккумуляторов, имеющих, например, внутреннее короткое замыкание между электродами. Если через такой аккумулятор сразу пропустить большой ток заряда, это неминуемо приведет к его разогреву, а дальше как повезет.
Еще одна польза предзаряда - это предварительный прогрев аккумулятора, что актуально при заряде при низких температурах окружающей среды (в неотапливаемом помещении в холодное время года).
Интеллектуальная зарядка должна уметь контролировать напряжение на аккумуляторе во время предварительного этапа заряда и, в случае, если напряжение долгое время не поднимается, делать вывод о неисправности аккумулятора.
Все этапы заряда литий-ионного аккумулятора (включая этап предзаряда) схематично изображены на этом графике:
Превышение номинального зарядного напряжения на 0,15В может сократить срок службы аккумулятора вдвое. Понижение напряжения заряда на 0,1 вольт уменьшает емкость заряженной батареи примерно на 10%, но значительно продляет срок ее службы. Напряжение полностью заряженного аккумулятора после извлечения его из зарядного устройства составляет 4.1-4.15 вольта.
Резюмирую вышесказанное, обозначим основные тезисы:
1. Каким током заряжать li-ion аккумулятор (например, 18650 или любой другой)?
Ток будет зависеть от того, насколько быстро вы хотели бы его зарядить и может лежать в пределах от 0.2С до 1С.
Например, для аккумулятора типоразмера 18650 емкостью 3400 мА/ч, минимальный ток заряда составляет 680 мА, а максимальный - 3400 мА.
2. Сколько времени нужно заряжать, например, те же аккумуляторные батарейки 18650?
Время заряда напрямую зависит от тока заряда и рассчитывается по формуле:
T = С / I зар.
Например, время заряда нашего аккумулятора емкостью 3400 мА/ч током в 1А составит около 3.5 часов.
3. Как правильно зарядить литий-полимерный аккумулятор?
Любые литиевые аккумуляторы заряжаются одинаково. Не важно, литий-полимерный он или литий-ионный. Для нас, потребителей, никакой разницы нет.
Что такое плата защиты?
Плата защиты (или PCB - power control board) предназначена для защиты от короткого замыкания, перезаряда и переразряда литиевой батареи. Как правило в модули защиты также встроена и защита от перегрева.
В целях соблюдения техники безопасности запрещено использование литиевых аккумуляторов в бытовых приборах, если в них не встроена плата защиты. Поэтому во всех аккумуляторах от сотовых телефонов всегда есть PCB-плата. Выходные клеммы АКБ размещены прямо на плате:
В этих платах используется шестиногий контроллер заряда на специализированной микрухе (JW01, JW11, K091, G2J, G3J, S8210, S8261, NE57600 и пр. аналоги). Задачей этого контроллера является отключение батареи от нагрузки при полном разряде батареи и отключение аккумулятора от зарядки при достижении 4,25В.
Вот, например, схема платы защиты от аккумулятора BP-6M, которыми снабжались старые нокиевские телефоны:
Если говорить об 18650, то они могут выпускаться как с платой защиты так и без нее. Модуль защиты располагается в районе минусовой клеммы аккумулятора.
Плата увеличивает длину аккумулятора на 2-3 мм.
Аккумуляторы без PCB-модуля обычно входят в состав батарей, комплектуемых собственными схемами защиты.
Любой аккумулятор с защитой легко превращается в аккумулятор без защиты, достаточно просто распотрошить его.
На сегодняшний день максимальная емкость аккумулятора 18650 составляет 3400 мА/ч. Аккумуляторы с защитой обязательно имеют соответствующее обозначение на корпусе ("Protected").
Не стоит путать PCB-плату с PCM-модулем (PCM - power charge module). Если первые служат только целям защиты аккумулятора, то вторые предназначены для управления процессом заряда - ограничивают ток заряда на заданном уровне, контролируют температуру и, вообще, обеспечивают весь процесс. PCM-плата - это и есть то, что мы называем контроллером заряда.
Надеюсь, теперь не осталось вопросов, как зарядить аккумулятор 18650 или любой другой литиевый? Тогда переходим к небольшой подборке готовых схемотехнических решений зарядных устройств (тех самых контроллеров заряда).
Схемы зарядок li-ion аккумуляторов
Все схемы подходят для зарядки любого литиевого аккумулятора, остается только определиться с зарядным током и элементной базой.
LM317
Схема простого зарядного устройства на основе микросхемы LM317 с индикатором заряда:
Схема простейшая, вся настройка сводится к установке выходного напряжения 4.2 вольта с помощью подстроечного резистора R8 (без подключенного аккумулятора!) и установке тока заряда путем подбора резисторов R4, R6. Мощность резистора R1 - не менее 1 Ватт.
Как только погаснет светодиод, процесс заряда можно считать оконченным (зарядный ток до нуля никогда не уменьшится). Не рекомендуется долго держать аккумулятор в этой зарядке после того, как он полностью зарядится.
Микросхема lm317 широко применяется в различных стабилизаторах напряжения и тока (в зависимости от схемы включения). Продается на каждом углу и стоит вообще копейки (можно взять 10 шт. всего за 55 рублей).
LM317 бывает в разных корпусах:
Назначение выводов (цоколевка):
Аналогами микросхемы LM317 являются: GL317, SG31, SG317, UC317T, ECG1900, LM31MDT, SP900, КР142ЕН12, КР1157ЕН1 (последние два - отечественного производства).
Зарядный ток можно увеличить до 3А, если вместо LM317 взять LM350. Она, правда, подороже будет - 11 руб/шт .
Печатная плата и схема в сборе приведены ниже:
Старый советский транзистор КТ361 можно заменить на аналогичный p-n-p транзистор (например, КТ3107, КТ3108 или буржуйские 2N5086, 2SA733, BC308A). Его можно вообще убрать, если индикатор заряда не нужен.
Недостаток схемы: напряжение питания должно быть в пределах 8-12В. Это связано с тем, что для нормальной работы микросхемы LM317 разница между напряжением на аккумуляторе и напряжением питания должна быть не менее 4.25 Вольт. Таким образом, от USB-порта запитать не получится.
MAX1555 или MAX1551
MAX1551/MAX1555 - специализированные зарядные устройства для Li+ аккумуляторов, способные работать от USB или от отдельного адаптера питания (например, зарядника от телефона).
Единственное отличие этих микросхем - МАХ1555 выдает сигнал для индикатора процесса заряда, а МАХ1551 - сигнал того, что питание включено. Т.е. 1555 в большинстве случаев все-таки предпочтительнее, поэтому 1551 сейчас уже трудно найти в продаже.
Подробное описание этих микросхем от производителя - .
Максимальное входное напряжение от DC-адаптера - 7 В, при питании от USB - 6 В. При снижении напряжения питания до 3.52 В, микросхема отключается и заряд прекращается.
Микросхема сама детектирует на каком входе присутствует напряжение питания и подключается к нему. Если питание идет по ЮСБ-шине, то максимальный ток заряда ограничивается 100 мА - это позволяет втыкать зарядник в USB-порт любого компьютера, не опасаясь сжечь южный мост.
При питании от отдельного блока питания, типовое значение зарядного тока составляет 280 мА.
В микросхемы встроена защита от перегрева. Но даже в этом случае схема продолжает работать, уменьшая ток заряда на 17 мА на каждый градус выше 110°C.
Имеется функция предварительного заряда (см. выше): до тех пор пока напряжение на аккумуляторе находится ниже 3В, микросхема ограничивает ток заряда на уровне 40 мА.
Микросхема имеет 5 выводов. Вот типовая схема включения:
Если есть гарантия, что на выходе вашего адаптера напряжение ни при каких обстоятельствах не сможет превысить 7 вольт, то можно обойтись без стабилизатора 7805.
Вариант зарядки от USB можно собрать, например, на такой .
Микросхемы не нуждается ни во внешних диодах, ни во внешних транзисторах. Вообще, конечно, шикарные микрухи! Только они маленькие слишком, паять неудобно. И еще стоят дорого ().
LP2951
Стабилизатор LP2951 производится фирмой National Semiconductors (). Он обеспечивает реализацию встроенной функции ограничения тока и позволяет формировать на выходе схемы стабильный уровень напряжения заряда литий-ионного аккумулятора.
Величина напряжения заряда составляет 4,08 - 4,26 вольта и выставляется резистором R3 при отключенном аккумуляторе. Напряжение держится очень точно.
Ток заряда составляет 150 - 300мА, это значение ограничено внутренними цепями микросхемы LP2951 (зависит от производителя).
Диод применять с небольшим обратным током. Например, он может быть любым из серии 1N400X, какой удастся приобрести. Диод используется, как блокировочный, для предотвращения обратного тока от аккумулятора в микросхему LP2951 при отключении входного напряжения.
Данная зарядка выдает довольно низкий зарядный ток, так что какой-нибудь аккумулятор 18650 может заряжаться всю ночь.
Микросхему можно купить как в DIP-корпусе , так и в корпусе SOIC (стоимость около 10 рублей за штучку).
MCP73831
Микросхема позволяет создавать правильные зарядные устройства, к тому же она дешевле, чем раскрученная MAX1555.
Типовая схема включения взята из :
Важным достоинством схемы является отсутствие низкоомных мощных резисторов, ограничивающих ток заряда. Здесь ток задается резистором, подключенным к 5-ому выводу микросхемы. Его сопротивление должно лежать в диапазоне 2-10 кОм.
Зарядка в сборе выглядит так:
Микросхема в процессе работы неплохо так нагревается, но это ей вроде не мешает. Свою функцию выполняет.
Вот еще один вариант печатной платы с smd светодиодом и разъемом микро-USB:
LTC4054 (STC4054)
Очень простая схема, отличный вариант! Позволяет заряжать током до 800 мА (см. ). Правда, она имеет свойство сильно нагреваться, но в этом случае встроенная защита от перегрева снижает ток.
Схему можно существенно упростить, выкинув один или даже оба светодиодов с транзистором. Тогда она будет выглядеть вот так (согласитесь, проще некуда: пара резисторов и один кондер):
Один из вариантов печатной платы доступен по . Плата рассчитана под элементы типоразмера 0805.
I=1000/R . Сразу большой ток выставлять не стоит, сначала посмотрите, насколько сильно будет греться микросхема. Я для своих целей взял резистор на 2.7 кОм, при этом ток заряда получился около 360 мА.
Радиатор к этой микросхеме вряд ли получится приспособить, да и не факт, что он будет эффективен из-за высокого теплового сопротивления перехода кристалл-корпус. Производитель рекомендует делать теплоотвод "через выводы" - делать как можно более толстые дорожки и оставлять фольгу под корпусом микросхемы. И вообще, чем больше будет оставлено "земляной" фольги, тем лучше.
Кстати говоря, бОльшая часть тепла отводится через 3-ю ногу, так что можно сделать эту дорожку очень широкой и толстой (залить ее избыточным количеством припоя).
Корпус микросхемы LTC4054 может иметь маркировку LTH7 или LTADY.
LTH7 от LTADY отличаются тем, что первая может поднять сильно севший аккумулятор (на котором напряжение меньше 2.9 вольт), а вторая - нет (нужно отдельно раскачивать).
Микросхема вышла очень удачной, поэтому имеет кучу аналогов: STC4054, MCP73831, TB4054, QX4054, TP4054, SGM4054, ACE4054, LP4054, U4054, BL4054, WPM4054, IT4504, Y1880, PT6102, PT6181, VS6102, HX6001, LC6000, LN5060, CX9058, EC49016, CYT5026, Q7051. Прежде, чем использовать какой-либо из аналогов, сверяйтесь по даташитам.
TP4056
Микросхема выполнена в корпусе SOP-8 (см. ), имеет на брюхе металлический теплосьемник не соединенный с контактами, что позволяет эффективнее отводить тепло. Позволяет заряжать аккумулятор током до 1А (ток зависит от токозадающего резистора).
Схема подключения требует самый минимум навесных элементов:
Схема реализует классический процесс заряда - сначала заряд постоянным током, затем постоянным напряжением и падающим током. Все по-научному. Если разобрать зарядку по шагам, то можно выделить несколько этапов:
- Контроль напряжения подключенного аккумулятора (это происходит постоянно).
- Этап предзаряда (если аккумулятор разряжен ниже 2.9 В). Заряд током 1/10 от запрограммированного резистором R prog (100мА при R prog = 1.2 кОм) до уровня 2.9 В.
- Зарядка максимальным током постоянной величины (1000мА при R prog = 1.2 кОм);
- При достижении на батарее 4.2 В, напряжение на батарее фиксируется на этому уровне. Начинается плавное снижение зарядного тока.
- При достижении тока 1/10 от запрограммированного резистором R prog (100мА при R prog = 1.2кОм) зарядное устройство отключается.
- После окончания зарядки контроллер продолжает мониторинг напряжения аккумулятора (см. п.1). Ток, потребляемый схемой мониторинга 2-3 мкА. После падения напряжения до 4.0В, зарядка включается снова. И так по кругу.
Ток заряда (в амперах) рассчитывается по формуле I=1200/R prog . Допустимый максимум - 1000 мА.
Реальный тест зарядки с аккумулятором 18650 на 3400 мА/ч показан на графике:
Достоинство микросхемы в том, что ток заряда задается всего лишь одним резистором. Не требуются мощные низкоомные резисторы. Плюс имеется индикатор процесса заряда, а также индикация окончания зарядки. При неподключенном аккумуляторе, индикатор моргает с периодичностью раз в несколько секунд.
Напряжение питания схемы должно лежать в пределах 4.5...8 вольт. Чем ближе к 4.5В - тем лучше (так чип меньше греется).
Первая нога используется для подключения датчика температуры, встроенного в литий-ионную батарею (обычно это средний вывод аккумулятора сотового телефона). Если на выводе напряжение будет ниже 45% или выше 80% от напряжения питания, то зарядка приостанавливается. Если контроль температуры вам не нужен, просто посадите эту ногу на землю.
Внимание! У данной схемы есть один существенный недостаток: отсутствие схемы защиты от переполюсовки батареи. В этом случае контроллер гарантированно выгорает из строя из-за превышения максимального тока. При этом напряжение питания схемы напрямую попадает на аккумулятор, что очень опасно.
Печатка простая, делается за час на коленке. Если время терпит, можно заказать готовые модули. Некоторые производители готовых модулей добавляют защиту от перегрузки по току и переразряда ( , например, можно выбрать какая плата вам нужна - с защитой или без, и с каким разъемом).
Так же можно найти готовые платы с выведенным контактом под температурный датчик. Или даже модуль зарядки с несколькими запараллеленными микросхемами TP4056 для увеличения зарядного тока и с защитой от переполюсовки (пример).
LTC1734
Тоже очень простая схема. Ток заряда задается резистором R prog (например, если поставить резистор на 3 кОм, ток будет равен 500 мА).
Микросхемы обычно имеют маркировку на корпусе: LTRG (их можно часто встретить в старых телефонах от самсунгов).
Транзистор подойдет вообще любой p-n-p, главное, чтобы он был рассчитан на заданный ток зарядки.
Индикатора заряда на указанной схеме нет, но в на LTC1734 сказано, что вывод "4" (Prog) имеет две функции - установку тока и контроль окончания заряда батареи. Для примера приведена схема с контролем окончания заряда при помощи компаратора LT1716.
Компаратор LT1716 в данном случае можно заменить дешевым LM358.
TL431 + транзистор
Наверное, сложно придумать схему из более доступных компонентов. Здесь самое сложное - это найти источник опорного напряжение TL431. Но они настолько распространены, что встречаются практически повсюду (редко какой источник питания обходится без этой микросхемы).
Ну а транзистор TIP41 можно заменить любым другим с подходящим током коллектора. Подойдут даже старые советские КТ819, КТ805 (или менее мощные КТ815, КТ817).
Настройка схемы сводится к установке выходного напряжения (без аккумулятора!!!) с помощью подстроечного резистора на уровне 4.2 вольта. Резистор R1 задает максимальное значение зарядного тока.
Данная схема полноценно реализует двухэтапный процесс заряда литиевых аккумуляторов - сначала зарядка постоянным током, затем переход к фазе стабилизации напряжения и плавное снижение тока практически до нуля. Единственный недостаток - плохая повторяемость схемы (капризна в настройке и требовательна к используемым компонентам).
MCP73812
Есть еще одна незаслуженно обделенная вниманием микросхема от компании Microchip - MCP73812 (см. ). На ее базе получается очень бюджетный вариант зарядки (и недорогой!). Весь обвес - всего один резистор!
Кстати, микросхема выполнена в удобном для пайки корпусе - SOT23-5.
Единственный минус - сильно греется и нет индикации заряда. Еще она как-то не очень надежно работает, если у вас маломощный источник питания (который дает просадку напряжения).
В общем, если для вас индикация заряда не важна, и ток в 500 мА вас устраивает, то МСР73812 - очень неплохой вариант.
NCP1835
Предлагается полностью интегрированное решение - NCP1835B, обеспечивающее высокую стабильность зарядного напряжения (4.2 ±0.05 В).
Пожалуй, единственным недостатком данной микросхемы является ее слишком миниатюрный размер (корпус DFN-10, размер 3х3 мм). Не каждому под силу обеспечить качественную пайку таких миниатюрных элементов.
Из неоспоримых преимуществ хотелось бы отметить следующее:
- Минимальное количество деталей обвеса.
- Возможность зарядки полностью разряженной батареи (предзаряд током 30мА);
- Определение окончания зарядки.
- Программируемый зарядный ток - до 1000 мА.
- Индикация заряда и ошибок (способна детектировать незаряжаемые батарейки и сигнализировать об этом).
- Защита от продолжительного заряда (изменяя емкость конденсатора С т, можно задать максимальное время заряда от 6,6 до 784 минут).
Стоимость микросхемы не то чтобы копеечная, но и не настолько большая (~1$), чтобы отказаться от ее применения. Если вы дружите с паяльником, я бы порекомендовал остановить свой выбор на этом варианте.
Более подробное описание находится в .
Можно ли заряжать литий-ионный аккумулятор без контроллера?
Да, можно. Однако это потребует плотного контроля за зарядным током и напряжением.
Вообще, зарядить АКБ, к примеру, наш 18650 совсем без зарядного устройства не получится. Все равно нужно как-то ограничивать максимальный ток заряда, так что хотя бы самое примитивное ЗУ, но все же потребуется.
Самое простейшее зарядное устройство для любого литиевого аккумулятора - это резистор, включенный последовательно с аккумулятором:
Сопротивление и мощность рассеяния резистора зависят от напряжения источника питания, который будет использоваться для зарядки.
Давайте в качестве примера, рассчитаем резистор для блока питания напряжением 5 Вольт. Заряжать будем аккумулятор 18650, емкостью 2400 мА/ч.
Итак, в самом начале зарядки падение напряжение на резисторе будет составлять:
U r = 5 - 2.8 = 2.2 Вольта
Предположим, наш 5-вольтовый блок питания рассчитан на максимальный ток 1А. Самый большой ток схема будет потреблять в самом начале заряда, когда напряжение на аккумуляторе минимально и составляет 2.7-2.8 Вольта.
Внимание: в данных расчетах не учитывается вероятность того, что аккумулятор может быть очень глубоко разряжен и напряжение на нем может быть гораздо ниже, вплоть до нуля.
Таким образом, сопротивление резистора, необходимое для ограничения тока в самом начале заряда на уровне 1 Ампера, должно составлять:
R = U / I = 2.2 / 1 = 2.2 Ом
Мощность рассеивания резистора:
P r = I 2 R = 1*1*2.2 = 2.2 Вт
В самом конце заряда аккумулятора, когда напряжение на нем приблизится к 4.2 В, ток заряда будет составлять:
I зар = (U ип - 4.2) / R = (5 - 4.2) / 2.2 = 0.3 А
Т.е., как мы видим, все значения не выходят за рамки допустимых для данного аккумулятора: начальный ток не превышает максимально допустимый ток заряда для данного аккумулятора (2.4 А), а конечный ток превышает ток, при котором аккумулятор уже перестает набирать емкость (0.24 А).
Самый главный недостаток такой зарядки состоит в необходимости постоянно контролировать напряжение на аккумуляторе. И вручную отключить заряд, как только напряжение достигнет 4.2 Вольта. Дело в том, что литиевые аккумуляторы очень плохо переносят даже кратковременное перенапряжение - электродные массы начинают быстро деградировать, что неминуемо приводит к потери емкости. Одновременно с этим создаются все предпосылки для перегрева и разгерметизации.
Если в ваш аккумулятор встроена плата защиты, о которых речь шла чуть выше, то все упрощается. По достижении определенного напряжение на аккумуляторе, плата сама отключит его от зарядного устройства. Однако такой способ зарядки имеет существенные минусы, о которых мы рассказывали в .
Защита, встроенная в аккумулятор не позволит его перезарядить ни при каких обстоятельствах. Все, что вам остается сделать, это проконтролировать ток заряда, чтобы он не превысил допустимые значения для данного аккумулятора (платы защиты не умеют ограничивать ток заряда, к сожалению).
Зарядка при помощи лабораторного блока питания
Если в вашем распоряжении имеется блок питания с защитой (ограничением) по току, то вы спасены! Такой источник питания уже является полноценным зарядным устройством, реализующим правильный профиль заряда, о котором мы писали выше (СС/СV).
Все, что нужно сделать для зарядки li-ion - это выставить на блоке питания 4.2 вольта и установить желаемое ограничение по току. И можно подключать аккумулятор.
Вначале, когда аккумулятор еще разряжен, лабораторный блок питания будет работать в режиме защиты по току (т.е. будет стабилизировать выходной ток на заданном уровне). Затем, когда напряжение на банке поднимется до установленных 4.2В, блок питания перейдет в режим стабилизации напряжения, а ток при этом начнет падать.
Когда ток упадет до 0.05-0.1С, аккумулятор можно считать полностью заряженным.
Как видите, лабораторный БП - практически идеальное зарядное устройство! Единственное, что он не умеет делать автоматически, это принимать решение о полной зарядке аккумулятора и отключаться. Но это мелочь, на которую даже не стоит обращать внимания.
Как заряжать литиевые батарейки?
И если мы говорим об одноразовой батарейке, не предназначенной для перезарядки, то правильный (и единственно верный) ответ на этот вопрос - НИКАК.
Дело в том, что любая литиевая батарейка (например, распространенная CR2032 в виде плоской таблетки) характеризуется наличием внутреннего пассивирующего слоя, которым покрыт литиевый анод. Этот слой предотвращает химическую реакцию анода с электролитом. А подача стороннего тока разрушает вышеуказанный защитный слой, приводя к порче элемента питания.
Кстати, если говорить о незаряжаемой батарейке CR2032, то есть очень похожая на нее LIR2032 - это уже полноценный аккумулятор. Ее можно и нужно заряжать. Только у нее напряжение не 3, а 3.6В.
О том же, как заряжать литиевые аккумуляторы (будь то аккумулятор телефона, 18650 или любой другой li-ion аккумулятор) шла речь в начале статьи.
Где покупать микросхемы?
Можно, конечно, купить в Чипе-Дипе, но там дорого. Поэтому я всегда беру в одном очень секретном магазине)) Самое главное, правильно выбрать продавца, тогда заказ придет быстро и наверняка.
Для вашего удобства, я собрал самых надежных продавцов в одну таблицу, пользуйтесь на здоровье:
| наименование | даташит | цена | |
|---|---|---|---|
| LM317 | 5.5 руб/шт. | Купить | |
| LM350 | |||
| LTC1734 | 42 руб/шт. | Купить | |
| TL431 | 85 коп/шт. | Купить | |
| MCP73812 | 65 руб/шт. | Купить | |
| NCP1835 | 83 руб/шт. | Купить | |
| *Все микросхемы с бесплатной доставкой | |||
Вы сможете ознакомиться со схемой зарядного устройства, которая отлично подойдет для литиевых Li-Ion аккумуляторов.
Сначала его автор хотел представить простой вариант на микросхеме lm317, но в этом случае зарядку нужно питать от более высокого напряжения, чем 5 вольт. Причина в том, что разница между входным и выходным напряжениями микросхемы lm317 должна быть не менее 2 Вольт. Напряжение заряженного литий-ионного аккумулятора составляет около 4,2 Вольт. Следовательно, разница напряжений меньше 1 вольта. А это это значит, что можно придумать другое решение.
На АлиЭкспресс можно купить специализированную плату для зарядки литиевых аккумуляторов, которая стоит около доллара. Да, это так, но зачем покупать то, что можно сделать за пару минут. Тем более нужно месяц пока заказ будет у вас. Но если решили приобрести готовый, чтобы сразу пользоваться им, купите в этом китайском магазине . В поиске по магазину впишите: TP4056 1A
Самая простая схема
Сегодня рассмотрим варианты UDB-зарядного устройства для литиевых аккумуляторов, которое сможет повторить каждый. Схема самая самая простая, которую можно только придумать.
Решение
Это гибридная схема, где есть стабилизация напряжения и ограничение тока заряда аккумулятора.
Описание работы зарядки
Стабилизация напряжения построена на базе довольно популярной микросхемы регулируемого стабилитрона tl431. Транзистор в качестве усилительного элемента. Ток заряда задается резистором R1 и зависит только от параметров заряжаемого аккумулятора. Этот резистор советуется с мощностью 1 ватт. А все остальные резисторы 0,25 или 0,125 ватт.
Как мы знаем, напряжение одной банки полностью заряженного литий-ионного аккумулятора составляет около 4,2 Вольт. Следовательно, на выходе зарядного устройства мы должны установить именно это напряжение, которое задается подбором резисторов R2 и R3. Существует очень много онлайн программ по расчету напряжения стабилизации микросхемы tl431.
Для наиболее точной настройки выходного напряжения советуется резистор R2 заменить на многооборотное сопротивление около 10 килоом. Кстати, возможно и такое решение. Светодиод у нас в роли индикатора заряда, подойдет практически любой светодиод, цвет на ваш вкус.
Вся настройка сводится к установке на выходе напряжения 4,2 вольта.
Несколько слов о стабилитроне tl431. Это очень популярная микросхемах,не путайте с транзисторами в аналогичном корпусе. Эта микросхема встречается практически в любом импульсном блоке питания, например компьютернаом, где микросхема чаще всего стоит в обвязке.
Силовой транзистор не критичен, подойдет любой транзистор обратной проводимости средней или высокой мощности, например из советских подойдут КТ819, КТ805. Из менее мощных КТ815, КТ817 и любые другие транзисторы с аналогичными параметрами.
Для каких аккумуляторов подходит устройство?
Схема предназначена для зарядки только одной банки литиевого аккумулятора. Можно заряжать акб стандарта 18 650 и иные аккумуляторы, только нужно выставить соответствующее напряжения на выходе из зарядника.
Если вдруг по каким-то причинам схема не заработает, то проверьте наличие напряжения на управляющем выводе микросхемы. Оно должна быть не менее 2,5 Вольт. Это минимальное рабочее напряжение для внешнего источника опорного напряжения микросхемы. Хотя встречаются варианты исполнения, где минимальное рабочее напряжение составляет 3 Вольта.
Целесообразно также построить небольшой тестовый стенд для указанной микросхемы, чтобы проверить ее на работоспособность перед пайкой. А после сборки тщательно проверяем монтаж.
В ещё одной публикации материал об улучшении .
Современные электронные устройства (типа сотовых телефонов, портативных компьютеров или планшетов) питаются от литий-ионных аккумуляторов, которые пришли на смену щелочным аналогам. Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные акб уступили место Li─Ion батареям за счет лучших технических и потребительских качеств последних. Имеющийся от момента производства заряд в таких батареях составляет от четырех до шести процентов, после чего начинает снижаться по мере использования. В течение первых 12 месяцев емкость аккумуляторов снижается от 10 до 20 %.
Оригинальные зарядные устройства
Зарядные агрегаты для ion аккумулятора весьма похожи на аналогичные устройства для свинцово-кислотных, однако у них на элементах питания, названных за внешнюю схожесть «банками», напряжение выше, поэтому существуют более строгие требования к допуску (например, допустимое расхождение в напряжении всего 0,05 в). Чаще всего встречается формат банки ионных аккумуляторов 18650, это значит, что у нее диаметр – 1,8 см, а высота –6,5 см.
На заметку. Стандартная литий-ионная батарея требует для зарядки до трех часов, а более точно время определяется изначальной ее емкостью.
Производители Li-ion аккумуляторов рекомендуют для зарядки использовать только оригинальные зарядные устройства, которые гарантированно дадут нужное напряжение для батареи и не погубят часть ее емкости перезарядкой элемента и нарушением химической системы, также нежелательна полная зарядка батареи.
Обратите внимание! При длительном хранении литиевые аккумуляторы должны оптимально иметь маленький (не более 50%) заряд, также необходимо вытащить их из агрегатов.
Если у литиевых аккумуляторах имеется плата защиты, то перезарядка им не грозит.
Встроенная плата защиты отсекает чрезмерное напряжение (более 3,7 вольт на банку) во время зарядки и отключает аккумулятор, если уровень заряда упал до минимального, обычно до 2,4 вольт. Контроллер заряда определяют момент, когда напряжение на банке достигает 3,7 вольт, и отключает зарядное устройство от аккумулятора. Также это необходимое устройство контролирует температуру батареи, чтобы исключить перегрев и перегрузку по току. Защита компонуется на базе микросхемы ДВ01-П. После того, как цепь прерывается контроллером, ее восстановление осуществляется автоматически при нормализации параметров.
На микросхеме красный индикатор означает заряд, а зеленый или голубой сигнализирует о том, что акб заряжена.
Как правильно заряжать литиевые аккумуляторы
Известные производители li-ion аккумуляторов (например, такие, как «Сони») применяют в своих зарядниках двух или трех этапный принцип зарядки, что позволяет значительно продлить срок службы батарей.
На выходе зарядник имеет напряжение в пять вольт, а величина тока колеблется от 0,5 до 1,0 номинальной емкости акб (например, для элемента, имеющего емкость 2200 миллиампер-час, ток зарядного устройства должен быть от 1,1 ампер.)
В начальный этап, после подключения зарядки для литиевых аккумуляторов, величина тока составляет от 0,2 до 1,0 номинальной емкости, при этом напряжение 4,1 вольт (на одну банку). В таких условиях батареи заряжаются от 40 до 50 минут.
Для достижения постоянства тока схема зарядного устройства должна быть в состоянии поднять напряжение на клеммах батареи, в это время зарядник для большинства литий ионных аккумуляторов работает в качестве обычного стабилизатора напряжения электротока.
Важно! Если необходима зарядка литий-ионных батарей, у которых имеется встроенная плата защиты, то напряжение холостого хода не должно быть больше шести-семи вольт, иначе она испортится.
В то время, как напряжение достигнет 4,2 вольт, емкость аккумулятора составит от 70 до 80 процентов емкости, что будет сигналом об окончании начального этапа зарядки.
Следующий этап осуществляется при наличии постоянного напряжения.
Дополнительная информация. В некоторых агрегатах для более быстрой зарядки применяется импульсный метод. Если в литий-ионном аккумуляторе имеется графитовая система, то для них необходимо соблюдать ограничение напряжения в 4,1 вольта на одну банку. При превышении этого параметра энергетическая плотность акб возрастет и запустит окислительные реакции, сокращающие срок эксплуатации аккумулятора. В современных моделях батарей применяют специальные добавки, которые позволяют повышать напряжение при подключении зарядного устройства для li ion аккумуляторов до 4,2 вольт плюс/минус 0,05 вольт.
В простых литиевых батареях зарядные устройства держат уровень напряжения в 3,9 вольт, что для них является надежной гарантией долгой службы.
При выдаче тока в 1 величину емкости акб время получения оптимально заряженного аккумулятора составит от 2 до 3 часов. Как только заряд станет полным, напряжение достигнет нормы отсечки, величина тока стремительно падает и остается на уровне пары процентов от начального значения.
Если зарядный ток искусственно увеличивать, что время использования зарядного устройства для питания литий ионных аккумуляторов почти не уменьшится. В таком случае первоначально быстрее растет напряжение, но в то же время увеличивается длительность второго этапа.
Некоторые зарядные устройства могут полностью зарядить акб за 60-70 минут, в процессе такой зарядки исключен второй этап, и аккумулятор можно использовать уже после начальной стадии (уровень зарядки также будет на уровне 70 процентов емкости).
На третьем завершающем этапе зарядки проводится компенсирующий заряд. Он осуществляется не каждый раз, а всего один раз в 3 недели, при хранении (а не использовании) аккумуляторов. В условиях хранения батарей невозможно использовать струйную зарядку, потому что в таком случае происходит металлизация лития. Однако небольшие по времени подзарядки током постоянного напряжения помогают избежать потерь заряда. Прекращение зарядки заканчивается, как только напряжение достигнет 4,2 вольт.
Металлизация лития опасна выделением кислорода и резким нагнетением давления, что может привести к воспламенению и даже взрыву.
Зарядка для аккумулятора своими руками
Зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов стоит недорого, но при наличии небольших познаний в электронике можно изготовить ее самостоятельно. Если нет точной информации о происхождении элементов АКБ, и есть сомнения в точности работы измерительных приборов, следует выставить порог заряда в районе от 4,1 до 4,15 вольт. Это особенно актуально, если акб не имеет защитной платы.
Для сборки зарядки для литиевых аккумуляторов своими руками хватит одной упрощенной схемы, которых очень много в свободном доступе в Интернете.
Для индикатора можно использовать светодиод зарядного типа, который подсвечивает, когда зарядка аккумулятора значительно снижена, и гаснет при разрядке в «ноль».
Сборка зарядного устройства производится в следующем порядке:
- находится подходящий корпус;
- монтируется блок питания на пять вольт и другие детали схемы (строго следить за последовательностью!);
- вырезается пара латунных полосок и крепится на гнездные отверстия;
- с помощью гайки определяется расстояние между контактами и подключаемым аккумулятором;
- устанавливается переключатель для изменения полярности (опционально).
Если ставится задача собрать своими руками зарядку для аккумуляторов 18650, то потребуются более сложная схема и больше технических навыков.
Все литий-ионные аккумуляторы время от времени требуют подзарядки, однако, следует избегать слишком полной зарядки, а также полной разрядки. Поддержание работоспособности батарей и сохранение их рабочей емкости в течение длительного времени возможно с помощью специальных зарядных устройств. Зарядники желательно использовать оригинальные, но можно собрать их самостоятельно.
Видео
Процессы зарядки разрядки любых аккумуляторных батарей протекают в виде химической реакции. Однако заряд литий-ионных аккумуляторов — это исключение из правил. Научные исследования показывают энергетику таких батарей как хаотичное перемещение ионов. Утверждения учёных мужей заслуживают внимания. Если по науке правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы, тогда эти приборы должны служить вечно.
Подтверждённые практикой факты утраты полезной ёмкости АКБ учёные видят в ионах, блокируемых так называемыми ловушками.
Поэтому, как и в случае с другими подобными системами, литий-ионные приборы не застрахованы от дефектов в процессе их применения на практике.
Зарядные устройства для конструкций Li-ion имеют некоторое сходство с приборами, предназначенными для кислотно-свинцовых систем.
Но главные отличия таких зарядных устройств видятся в подаче завышенных напряжений на ячейки. К тому же отмечаются более жесткие допуски по токам, плюс исключение заряда прерывистым или плавающим способом при полной зарядке батареи.
Относительно мощный прибор питания, который может применяться в качестве накопителя энергии для конструкций альтернативных источников энергии
Если отличаются некоторой гибкостью, с точки зрения подключений/отключений напряжения, производители литий-ионных систем категорически отвергают такой подход.
Аккумуляторы Li-ion и правила эксплуатации этих приборов не допускают возможности безграничного превышения заряда.
Поэтому не существует для литий-ионных аккумуляторов так называемого «чудесного» зарядного устройства, способного продлить срок службы на длительное время.
Невозможно получить дополнительную емкость Li-ion за счёт импульсного заряда или прочих известных трюков. Литий-ионная энергетика — это своего рода «чистая» система, принимающая строго ограниченное количество энергии.
Зарядка кобальто-купажированных АКБ
Классические конструкции литий-ионных батарей оснащены катодами, структуру которых составляют материалы:
- кобальт,
- никель,
- марганец,
- алюминий.
Все они обычно заряжаются напряжением до 4,20В/я. Допускаемое отклонение составляет не более +/- 50 мВ/я. Но есть также отдельные виды литий-ионных аккумуляторов на основе никеля, которые допускают величину заряда напряжением до 4.10В/я.
Кобальт-купажированные литий-ионные аккумуляторные батареи оснащаются внутренними защитными цепями, но этот момент редко спасает от взрыва аккумулятора в режиме чрезмерного заряда
Также есть разработки литий-ионных АКБ, где увеличена процентная доля лития. Для них напряжение заряда может достигать значения 4,30В/я и выше.
Что же, увеличение напряжения увеличивает емкость, но выход напряжения за пределы спецификации чреват разрушением структуры АКБ.
Поэтому в массе своей литий-ионные аккумуляторы оснащаются защитными цепями, цель которых держать установленную норму.
Полный или частичный заряд
Однако практика показывает: большинство мощных литий-ионных АКБ могут принимать более высокий уровень напряжения при условии его кратковременной подачи.
При таком варианте эффективность зарядки составляет около 99%, а ячейка остается холодной в процессе всего времени заряда. Правда, некоторые литий-ионные батареи всё таки нагреваются на 4-5C при достижении полного заряда.
Возможно, это связано с защитой или объясняется высоким внутренним сопротивлением. Для таких АКБ следует останавливать заряд при росте температуры более 10ºC на умеренной норме заряда.
Литий-ионные батареи в зарядном устройстве на зарядке. Индикатор показывает полную зарядку аккумуляторов. Дальнейший процесс грозит повредить батареи
Полная зарядка кобальто-купажированных систем наступает с пороговым значением напряжения. При этом ток падает на величину до 3 -5% от номинала.
Аккумулятор будет показывать полный заряд и при достижении какого-то уровня ёмкости, остающегося неизменным в течение продолжительного времени. Причиной этому может стать повышенный саморазряд батареи.
Увеличение тока заряда и заряд насыщения
Следует отметить: увеличение тока заряда не ускоряет достижение состояния полного заряда. Литий- достигнет пика напряжения быстрее, но заряд до полного насыщения ёмкости требует больше времени. Тем не менее, зарядка аккумулятора большим током быстро увеличивает ёмкость батареи примерно до 70 %.
Литий-ионные аккумуляторы не поддерживают обязательной полной зарядки, как в случае с кислотно-свинцовыми приборами. Мало того, именно такой вариант зарядки нежелателен для Li-ion. Фактически, лучше зарядить АКБ не полностью, потому что высокое напряжение «напрягает» аккумулятор.
Выбор порога более низкого напряжения или полного съёма заряда насыщения способствуют продлению срока службы литий-ионной батареи. Правда, такой подход сопровождается уменьшением времени отдачи энергии АКБ.
Здесь следует отметить: зарядные устройства бытового назначения, как правило, работают на максимальной мощности и не поддерживают регулировки зарядного тока (напряжения).
Производители бытовых зарядных устройств для литий-ионных аккумуляторов считают продолжительный срок службы менее важным фактором, чем затраты на усложнение схемных решений.
Зарядные устройства литий-ионных батарей
Некоторые дешевые зарядные устройства бытового назначения часто работают по упрощенной методике. Заряжают литий-ионный аккумулятор в течение одного часа и менее, без перехода на заряд насыщения.
Индикатор готовности на таких устройствах загорается, когда батарея достигает порога напряжения на первом этапе. Состояние заряда при этом составляет около 85%, что нередко удовлетворяет многих пользователей.
Это зарядное устройство отечественного производства предлагается для работы с разными аккумуляторами, в том числе с литий-ионными АКБ. Аппарат имеет систему регуляции напряжения и тока, что уже хорошо
Зарядные устройства профессионального назначения (дорогостоящие) отличаются тем, что устанавливают порог зарядного напряжения ниже, тем самым продлевая срок службы литий-ионной батареи.
В таблице показаны расчетные мощности при заряде такими устройствами на разных пороговых значениях напряжения, с зарядом насыщения и без такового:
| Напряжение заряда, В/на ячейку | Ёмкость при отсечке высокого напряжения, % | Время заряда, мин | Ёмкость при полном насыщении, % |
| 3.80 | 60 | 120 | 65 |
| 3.90 | 70 | 135 | 75 |
| 4.00 | 75 | 150 | 80 |
| 4.10 | 80 | 165 | 90 |
| 4.20 | 85 | 180 | 100 |
Как только литий-ионный аккумулятор начинает заряжаться, отмечается быстрый рост напряжения. Такое поведение сравнимо с подъёмом груза резиновой лентой, когда имеет место эффект отставания.
Емкость, в конечном итоге, будет набрана, когда аккумулятор полностью зарядится. Такая характеристика заряда типична для всех АКБ.
Чем выше ток заряда, тем ярче эффект резиновой ленты. Низкая температура или наличие ячейки с высоким внутренним сопротивлением лишь усиливают эффект.
Структура литий-ионной аккумуляторной батареи в самом простейшем виде: 1- минусовая шина из меди; 2 — плюсовая шина из алюминия; 3 — анод из оксида кобальта; 4- катод из графита; 5 — электролит
Оценка состояния заряда путем считывания напряжения заряженной батареи нецелесообразна. Измерение напряжения разомкнутой цепи (холостой ход) после того, как батарея покоилась несколько часов, является лучшим оценочным индикатором.
Как и для других батарей, температура влияет на холостой ход точно так же, как влияет на активный материал литий-ионной АКБ. , ноутбуков и других устройств оценивается путем подсчета кулонов.
Литий-ионный АКБ: порог насыщения
Литий-ионный аккумулятор не способен поглощать избыточный заряд. Поэтому при полном насыщении аккумулятора ток заряда сразу необходимо снять.
Постоянный текущий заряд может привести к металлизации элементов лития, что нарушает принцип обеспечения безопасности эксплуатации таких АКБ.
Чтобы свести к минимуму образование дефектов, следует как можно быстрее отключать литий-ионный аккумулятор при достижении пика заряда.
Этот аккумулятор уже не возьмёт заряда ровно столько, сколько ему положено. По причине неправильной зарядки он утратил свои главные свойства накопителя энергии
Как только заряд прекращается, напряжение литий-ионного аккумулятора начинает падать. Проявляется эффект уменьшения физического напряжения.
Некоторое время напряжение холостого хода будет распределяться между неравномерно заряженными ячейками с напряжением 3,70 В и 3,90 В.
Здесь также обращает на себя внимание процесс, когда литий-ионная батарея, получившая полностью насыщенный заряд, начинает заряжать соседнюю (если таковая включена в схему), не получившую заряд насыщения.
Когда литий-ионные батареи требуется постоянно держать в зарядном устройстве с целью обеспечения их готовности, следует делать ставку на зарядные устройства, имеющие функцию кратковременного компенсационного заряда.
Зарядное устройство с функцией кратковременного компенсационного заряда включается, если напряжение разомкнутой цепи падает до 4.05 В/я и выключается при достижении напряжения 4.20 В/я.
Зарядные устройства, предназначенные для оперативной готовности или для работы в режиме ожидания, часто позволяют снизить напряжение батареи до 4,00В/я и заряжают литий-ионные АКБ только до уровня 4,05В/я, не давая достичь полного уровня 4.20В/я.
Подобная методика снижает напряжение физическое, неотъемлемо связанное с напряжением техническим, и способствует продлению срока службы батареи.
Заряд безкобальтовых аккумуляторов
Аккумуляторы в традиционном исполнении имеют номинальное напряжение ячейки равное 3,60 вольта. Однако для приборов, не содержащих кобальта, номинал другой.
Так, литий-фосфатные аккумуляторы обладают номиналом 3,20 вольта (зарядное напряжение 3,65В). А новые литий-титанатные аккумуляторы (производство Россия) имеют номинальное напряжение ячейки 2,40В (зарядное 2,85).
Литий-фосфатные аккумуляторные батареи относятся к накопителям энергии, которые не содержат в своей структуре кобальт. Этот факт несколько меняет условия зарядки таких аккумуляторов
Для таких батарей традиционные зарядные устройства не подходят, так как перегружают АКБ с угрозой взрыва. И наоборот, система зарядки для безкобальтовых батарей не обеспечит достаточным зарядом на 3,60В традиционный литий-ионный аккумулятор.
Превышенный заряда литий-ионного аккумулятора
Литий-ионный аккумулятор безопасно работает в пределах заданных рабочих напряжений. Однако работа батареи становится нестабильной, если она заряжается выше рабочих норм.
Длительная зарядка литий-ионной батареи напряжением выше 4,30В, предназначенной под рабочий номинал 4.20В, чревата металлизацией анода литием.
Материал катода, в свою очередь, приобретает свойства окислителя, утрачивает стабильность состояния, выделяет углекислый газ.
Давление аккумуляторной ячейки нарастает и если заряд продолжается, устройство внутренней защиты сработает при давлении от 1000 кПа до 3180 кПа.
Если же рост давления продолжается и после этого, открывается защитная мембрана при уровне давления 3,450 кПа. В таком состоянии ячейка литий-ионного аккумулятора находится на грани взрыва и в конечном итоге именно так и происходит.
Структура: 1 — верхняя крышка; 2 — верхний изолятор; 3 — стальная банка; 4 — нижний изолятор; 5 — вкладка анода; 6 — катод; 7 — сепаратор; 8 — анод; 9 — вкладка катода; 10 — отдушина; 11 — PTC; 12 — прокладка
Срабатывание защиты внутри литий-ионного аккумулятора связано с повышением температуры внутреннего содержимого. Полностью заряженная аккумуляторная батарея имеет более высокую внутреннюю температуру, чем частично заряженная.
Поэтому литий-ионные батареи видятся более безопасными при условии низкоуровневой зарядки. Вот почему власти некоторых стран требуют использовать в самолётах Li-ion АКБ, насыщенные энергией не выше 30% от их полной ёмкости.
Порог внутренней температуры батарей при полной загрузке составляет:
- 130-150°C (для литий-кобальтовых);
- 170-180°C (для никель-марганец-кобальтовых);
- 230-250°C (для литий-марганцевых).
Следует отметить: литий-фосфатные аккумуляторы обладают лучшей температурной устойчивостью, чем литий-марганцевые АКБ. Литий-ионные батареи не единственные из числа тех, что представляют опасность в условиях энергетической перегрузки.
К примеру, свинцово-никелевые аккумуляторы также предрасположены к расплавлению с последующим возгоранием, если насыщение энергией выполняется с нарушениями паспортного режима.
Поэтому применение зарядных устройств, идеально подходящих к батарее, имеет первостепенное значение для всех литий-ионных аккумуляторов.
Некоторые выводы от анализа
Зарядка литий-ионных батарей отличается упрощённой методикой по сравнению с никелевыми системами. Схема зарядки прямолинейная, с ограничениями напряжения и тока.
Такая схема значительно проще, чем схема, анализирующая сложные сигнатуры напряжения, изменяющиеся по мере эксплуатации батареи.
Процесс насыщения энергией литий-ионных батарей допускает прерывания, эти аккумуляторы не нуждается в полном насыщении, как в случае с кислотно-свинцовыми АКБ.
Схема контроллера для маломощных литий-ионных аккумуляторов. Простое решение и минимум деталей. Но схема не обеспечивает условия цикла, при которых сохраняется длительный срок службы
Свойства литий-ионных аккумуляторов обещают преимущества в работе возобновляемых источников энергии (солнечных панелей и ветряных турбин). Как правило, или ветрогенератор редко обеспечивают полный заряд аккумулятора.
Для литий-иона отсутствие требований стабильной подзарядки упрощает схему контроллера заряда. Литий-ионный аккумулятор не требует контроллера, выравнивающего напряжение и ток, как того требуют свинцово-кислотные АКБ.
Все бытовые и большинство промышленных литий-ионных зарядных устройств полностью заряжают аккумулятор. Однако существующие устройства зарядки литий-ионных батарей в массе своей не обеспечивают регуляцию напряжения в конце цикла.