Как сделать для li-ion аккумуляторов своими руками из подручных материалов практически даром.
Собираем простое зарядное для Литий-ионных аккумуляторов, практически из хлама.
Накопилось у меня большое количество аккумуляторов от ноутбучных аккумуляторов, формата 18650. Обдумывая как их заряжать, я решил не заморачиваться с китайскими модулями, да и закончились они у меня к тому времени. Решил собрать воедино две схемы. Датчик тока и плата BMS с аккумулятора мобильного телефона. Проверено на практике. Хоть и схема примитивная, но она работает и успешно, ни одного аккумулятора не пострадало.
Схема зарядного устройства
Материалы и инструменты
- шнур USB;
- крокодильчики;
- плата защиты BMS;
- пластиковое яйцо от киндера;
- два светодиода разного цвета;
- транзистор кт361;
- резисторы на 470 и 22 ома;
- двухватный резистор 2.2 ома;
- один диод IN4148;
- инструменты.
Изготовление зарядного устройства
Шнур USB разбираем и снимаем разъем. У меня это от какого-то аипада.
К крокодилам припаиваем провода.
Глубокую часть пластикового киндера утяжеляем, я залил гайку М6 термоклеем.
Спаиваем нашу простую схемку. Все сделано навесным монтажом и распаяно на плате BMS. Светодиод я применил сдвоенный, но можно два одноцветных. Транзистор выпаял из старой советской радио-аппаратуры.
Провода продеваем в отверстие второй, мелкой, половинке пластикового киндера. Припаиваем схему.
Все компактно запихиваем в пластиковое яйцо. Для светодиода делаем отверстие.
Подключаем к USB порту пк или китайской зарядке, у них тока все равно мало.
Во время зарядки горит оранжевым цвет. Т.е. горят оба светодиода.
Когда заряд окончен, горит зеленый, тот который подключен через диод IN4148.
Можно проверить схему, отключив от аккумулятора, загорится светодиод зеленого цвета, свидетельствующий об окончании заряда.
Li-ion аккумуляторы типа 18650 различной емкости получили в настоящее время очень широкое распространение. С их приобретением встает проблема зарядки и обязательно в соответствии с техническими требованиями к процессу зарядки. Вот некоторые из этих требований:
- зарядка стабильным током;
- режим стабилизации напряжения;
- индикация окончания зарядки;
- непревышение допустимой температуры в процессе зарядки аккумулятора.
Вашему вниманию предлагается несложная в изготовлении и наладке схема ЗУ Li-ion аккумуляторов, хорошо зарекомендовавшая себя в работе.
Схема представляет собой стабилизатор тока и напряжения. Пока напряжение на аккумуляторе в процессе зарядки не достигнет уровня Uстаб.=(R7/R5+1)*Uref (Uref-опорное напряжение TL431=2,5В), TL431 находится в закрытом состоянии, и схема работает как стабилизатор тока. Iстаб.=0,6/R2 (0,6-напряжение открывания транзистора КТ816В). Как только напряжение на аккумуляторе достигнет Uстаб., схема переходит в режим стабилизации напряжения. Для Li-ion аккумулятора эта величина равна 4,2В. По достижении на аккумуляторе напряжения 4,2В начинает светиться светодиод желтого цвета, сигнализируя о том, что аккумулятор заряжен на 80-90%.Зарядный ток снижается до величины 7…8мА. В этом состоянии оставьте аккумулятор на 10-15 часов, чтобы он набрал полную емкость.
Немного о назначении элементов схемы.
LED1 - синего цвета, светится при установке аккумулятора (АК) в зарядный бокс при неподключенном питании ЗУ. При напряжении на АК менее 3В LED1 не светится.
LED2 - желтого цвета. Служит для индикации окончания процесса зарядки АК. При установке в бокс незаряженного АК LED2 не светится. Если он светится, то это говорит о том, что в бокс вставлен заряженный АК (при неподключенном питании ЗУ).
R2 - ограничивает зарядный ток АК.
R5, R7 - служат для установки напряжения 4,2В на контактах зарядного бокса до установки в него аккумулятора (можно любым).
Все детали ЗУ, кроме транзистора, установлены на печатной плате со стороны печатных проводников:
Вариант платы для тех, кто не ленится сверлить отверстия в стеклотекстолите:
Транзистор снабжен небольшим радиатором. В процессе зарядки транзистор греется до 40°С. Резистор R2 также греется, поэтому лучше установить параллельно два по 10 Ом для уменьшения нагрева.
Напряжение блока питания для зарядки одного аккумулятора примерно 5В постоянного тока. При необходимости заряжать сразу несколько аккумуляторов напряжение БП выбирается таким, чтобы на каждом блоке оно составляло 4,2В. Мощность блока питания выбирается из величины зарядного тока для каждого аккумулятора. Можно использовать импульсный источник питания. Габариты зарядного устройства будут меньше.
Процесс наладки зарядного устройства несложен. Не вставляя аккумулятор, подаем питание на схему. Должны светиться оба светодиода. Далее измеряем напряжение на контактах зарядного бокса. Если оно равно 4,2В, вам повезло и наладка почти завершена. В случае, если напряжение больше или меньше 4,2В, отключаем питание, вместо резистора R5 или R7 впаиваем переменный многооборотный резистор 10к и точно устанавливаем напряжение 4,2В на контактах бокса. Измерив величину получившегося сопротивления настоечного резистора, подбираем такой же постоянный и впаиваем в схему. Еще раз проверяем напряжение на контактах зарядного бокса. Величину зарядного тока проверяем амперметром на контактах зарядного бокса, не вставляя аккумулятор. Подбором величины резистора R2 можно установить желаемый зарядный ток. Большими токами не увлекаемся, может греться аккумулятор, что категорически недопустимо. От перегрева емкость Li-ion аккумуляторов снижается и не восстанавливается.
Аккумуляторы лучше всего заряжать по одному. При необходимости заряжать одновременно несколько аккумуляторов можно соединить блоки последовательно по такой схеме.
В этой схеме каждый аккумулятор заряжается отдельно. Напряжение в конце зарядки на каждом АК будет 4,2В, а зарядный ток - 0,5А. Заряжая одновременно, например, семь аккумуляторов, напряжение источника питания должно быть 4.2В*7=29,5В. Мощность источника питания определяется по величине зарядного тока 0,5А для каждого АК, т.е приблизительно 40Вт.
Фото готового устройства.
Изобретения и использование инструмента с источниками автономного питания стало одним из визитных карточек нашего времени. Разрабатывается и внедряются всё новые активные компоненты, улучшающие работу батарейных сборок. К сожалению аккумуляторы не могут работать без подзарядки. И если на устройствах, имеющих постоянный доступ электросети вопрос решается встроенными источниками, то для мощных источников питания, например, шуруповерта, необходимо отдельные зарядные устройства для литиевых аккумуляторов с учетом особенности различных типов аккумуляторов.
Последние годы всё активнее используются изделия на литий-ионном активном компоненте. И это вполне понятно, так — как эти источники питания зарекомендовали себя с очень хорошей стороны:
- у них отсутствует эффект памяти;
- практически полностью ликвидирован саморазряд;
- могут работать при минусовых температурах;
- хорошо удерживают разряд.
- количество доведен до 700 циклов.
Но, каждый тип батарей имеет свои особенности. Так, литий — ионный компонент требует конструкцию элементарных батареек с напряжением 3, 6В, что требует некоторые индивидуальные особенности для подобных изделий.
Особенности восстановления
При всех достоинствах литий-ионных аккумуляторах у них есть свои недостатки — это возможность внутреннего замыкания элементов при перенапряжении зарядки из — за активные кристаллизации лития в активном компоненте. Также имеется ограничение по минимальному значению напряжения, которое приводит к невозможности приема электронов активным компонентом. Чтобы исключить последствия, батарея оснащается внутренними контроллером, которое разрывает цепь элементов с нагрузкой при достижении критических значений. Хранятся такие элементы лучше всего при зарядке 50 % при +5 — 15° С. Еще одно из особенностей литий-ионных аккумуляторов является то, что время эксплуатации батарейки зависит от времени ее изготовления, вне зависимости от того была ли она в эксплуатации или нет, или другими словами подвержена «эффекту старения», который ограничивает сроком эксплуатации — пять лет.
Зарядка литий — ионных аккумуляторов
Простейшее устройство зарядки одного элемента
Для того чтобы понять более сложные схемы зарядки литий — ионных аккумуляторов, рассмотрим простое зарядное устройство для литиевых аккумуляторов, точнее для одной батарейки.
Основа схемы оставляет управление: микросхема TL 431 (выполняет роль регулируемого стабилитрона) и одном транзисторе обратной проводимости.
Как видно из схемы управляющий электрод TL431 включен в базу транзистора. Настройка аппарата сводится к следующему: нужно на выходе устройства установить напряжение 4,2В — это устанавливается регулировкой стабилитрона подключением на первую ножку сопротивления R4 — R3 номиналом 2,2 кОм и 3 кОм. Эта цепочка отвечает за регулировку выходного напряжения, регулировка напряжения устанавливается только один раз и является стабильной.
Далее регулируется ток заряда, регулировка производится сопротивлением R1 (на схеме номиналом 3Ом) в случае, если эмиттер транзистора будет включён без сопротивления, тогда входное напряжение будет и на клеммах зарядки, то есть — это 5В, что может не соответствовать требованиям.
Так же, в этом случае не будет светиться светодиод, а он сигнализирует об протекании процесса насыщения током. Резистор может быт номиналом от 3 до 8 Ом.
Для быстрой подстройки напряжение на нагрузке, сопротивление R3 можно установить регулируемое (потенциометр). Напряжение настраивается без нагрузки, то есть, без сопротивления элемента, номиналом 4, 2 — 4,5В. После достижения необходимого значения достаточно замерить величину сопротивление переменного резистора и поставить основную деталь нужного номинала вместо него. Если нет необходимого номинала его можно собрать из нескольких штук параллельным или последовательным соединением.
Сопротивление R4 предназначено для открывания базы транзистора, его номинал должен быть 220Ом.При увеличении заряда аккумулятора напряжение будет повышаться, управляющий электрод базы транзистора будет увеличивать переходное сопротивление эмиттер — коллектор, уменьшая ток зарядки.
Транзистор можно использовать КТ819, КТ817 или КТ815, но тогда придется ставить радиатор для охлаждения. Также радиатор будет необходим если токи будут превышать 1000мА. В общем, эта классическая схема простейшая зарядки.
Усовершенствование зарядного устройства для литиевых li — ion аккумуляторов
Когда появляется необходимость зарядить литий ионных батарей, соединенных из нескольких спаянных элементарных ячеек, то лучше всего заряжать ячейки отдельно с применением контрольной схемы, которая будет следить за зарядкой индивидуально каждой отдельной батарейкой. Без этой схемы значительное отклонение характеристик одного элемента в последовательно спаянной батареи приведет к неисправности все аккумуляторы, а сам блок будет даже опасным по причине его возможного перегрева или даже воспламенения.
Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов 12 вольт. Устройство балансира
Термин балансировка в электротехнике означает режим зарядки, который производит контроль за каждым отдельным элементом, участвующим в процессе, не допуская увеличения или снижения напряжения менее необходимого уровня. Необходимость подобных решений вытекает из особенностей сборок с li — ion. Если из за внутренней конструкции один из элементов зарядиться быстрее остальных, что очень опасно для состояния остальных элементов, и как следствие всей батареи. Схемное решение балансира выполнена таким образом, что элементы схемы берут на себя избыток энергии, тем самым регулируя процесс зарядки отдельной ячейки.
Если сравнивать принципы зарядки никель-кадмиевых аккумуляторов, то они имеют отличия от литий-ионного, прежде всего у Ca — Ni окончание процесса свидетельствует повышение напряжения полярных электродов и уменьшение тока до 0, 01мА. Также перед зарядкой этот источник должен быть разряжен не менее 30% от первоначальной емкости, если не выдержать это условия в батарее возникает «эффект памяти», который снижает емкость батареи.
С Li-Ion активным компонентом все наоборот. Полная разрядка этих элементов может привести к необратимым последствиям и резко понизить способность заряжаться. Нередко некачественные контроллеры могут не обеспечить контроль за уровнем разрядки батареи, что может привести неисправности всей сборки из-за одной ячейки.
Выходом из ситуации может стать применение выше рассмотренной схемы на регулируемом стабилитроне TL431. Нагрузку 1000 мА или больше может обеспечить установка более мощным транзистором. Такие ячейки подключается к непосредственно к каждой ячейке предохранит от неправильной зарядки.
Выбирать транзистор следует от мощности. Мощность подсчитывается по формуле P = U*I, где U — напряжение, I – зарядный ток.
Например, при токовой зарядки 0,45 А транзистор должен иметь рассеиваемую мощность не менее 3,65 В*0,45А = 1,8 Вт. а это для внутренних переходов большая токовая нагрузка, поэтому выходные транзисторы лучше установить в радиаторы.
Ниже приведен примерный расчет величины резисторов R1 и R2 на различное напряжение заряда:
22,1к + 33к => 4,16 В
15,1к + 22к => 4,20 В
47,1к + 68к => 4,22 В
27,1к + 39к => 4,23 В
39,1к + 56к => 4,24 В
33к + 47к => 4,25 В
Сопротивление R3 – нагрузка на базе транзистора. Его сопротивление может быть 471Ом — 1, 1 кОм.
Но, при реализации этих схемных решений, возникла проблема, как заряжать отдельную ячейку в аккумуляторном блоке? И такое решение нашлось. Если посмотреть на контакты на зарядной ножке, то на выпускаемых в последнее время корпусах с литий-ионными батареями находится такое количество контактов, сколько отдельных ячеек в батарее, естественно, на зарядном устройстве каждый такой элемент подключается отдельный схеме контроллера.
По стоимости подобное зарядное изделие несколько дороже чем линейное устройство с двумя контактами, но это стоит того, особенно если учесть, что сборки с высококачественными литий-ионными компонентами с доходят да половины стоимости самого изделия.
Импульсное зарядное устройство для литиевых li — ion аккумуляторов
Последнее время многие ведущие — фирмы производители ручного инструмента с автономным питанием, широко рекламирует быстро зарядные устройства. Для этих целей были разработаны импульсные преобразователи на основе широтно-импульсно модулированных сигналов (ШИМ) для восстановления блоков питания шуруповертов на основе ШИМ генератора на микросхеме UC3842 собран обратноходовой AS — DS преобразователь c нагрузкой на импульсный трансформатор.
Далее будет рассмотрена работа схема наиболее распространённых источника (см прилагаемую схему) : сетевое напряжение 220В поступает на диодную сборку D1- D4, для этих целей используются любые диоды мощностью до 2A. Сглаживание пульсаций происходит на конденсаторе C1, где концентрируется напряжение порядка 300В. Это напряжение является питанием для импульсного генератора с трансформатором T1 на выходе.
Первоначальное питание для запуска интегральная микросхемы A1 поступает через резистор R1, после чего включается генератор импульсов микросхемы, которая выдает их на вывод 6. Далее импульсы подаются на затвор мощного полевого транзистора VT1 открывая его. Стоковая цепь транзистора подает питание к первичной обмотке импульсного трансформатора Т1. После чего включатся в работу трансформатор и начинается передача импульсов на вторичную обмотку. Импульсы вторичной обмотки 7 — 11 после выпрямления диодом VT6 используется для стабилизации работы микросхемы A1, которая в режиме полной генерации потребляют гораздо больший ток, чем получает по цепи от резистора R1.
В случае неисправности диодов Д6, источник переходит у режиму пульсации, поочередно запуская работу трансформатор и прекращая его, при этом слышен характерный пульсирующий «писк» посмотрим работу схемы в этом режиме.
Питание через R1 и конденсатор C4 запускают генератор микросхемы. После запуска, для нормальной работы требуется более повышенный ток. При неисправности Д6 дополнительного питания на микросхему не поступает, и генерация прекращается, затем процесс повторяется. Если диод Д6 исправен, сразу включает в работу импульсный трансформатор под полную нагрузку. При нормальном запуске генератора на обмотке 14- 18 появляется импульсный ток 12 — 14В (на холостом ходу 15В). После выпрямления диодом V7 и сглаживания импульсов конденсатором C7 и импульсный ток поступает на зажимы батареи.
Ток 100 мА, не вредит активному компоненту, но повышает время восстановления в 3-4 раза, снижая ее время от 30 мин до1 часа. (источник — журнал интернет издание Радиоконструктор 03-2013 )
Быстрозарядное устройство G4-1H RYOBI ONE+ BCL14181H
Импульсное устройство для литиевых аккумуляторов 18 вольт производства немецкой компании Ryobi, производитель народная республика Китай. Импульсное устройство подходит для литий-ионных, никель кадмиевых 18В. Рассчитана на нормальную эксплуатацию при температуре от 0 до 50 С. Схемное решение обеспечивает два режима питания по напряжению и стабилизации по току. Импульсная подача тока обеспечивает оптимальную подпитку каждой отдельной батарейки.
Устройство выполнено в оригинальном корпусе из ударопрочной пластмассы. Применено принудительное охлаждение от встроенного вентилятора, с автоматическим включением при достижении 40° С.
Характеристики:
- Минимальное время заряда 18В при 1,5 А /ч — 60 минут, вес 0,9 кг, габариты: 210 x 86 x 174 мм. Индикация процесса зарядки подсвечивается синим светодиодом, по окончании загорается красный. Имеется диагностика неисправности, которая загорается при неисправности сборки отдельной подсветкой на корпусе.
- Питание однофазное 50Гц. 220В. Длина сетевого провода 1,5 метра.
Ремонт зарядной станции
Если случилось так, что изделие перестало выполнять свои функции, лучше всего обратиться в специализированные мастерские, но элементарные неисправности можно устранить своими руками. Что делать если не горит индикатор питания, разберем некоторые простые неисправности на примере станции .
Это изделие предназначено для работы с литий-ионными батареями 12В, 1,8А. Изделие выполнено с понижающим трансформатором, преобразование пониженного переменного тока выполняется четырех диодные мостовую схему. Для сглаживания пульсации установлен электролитический конденсатор. Из индикации имеется светодиоды сетевого питания, начала и окончание насыщения.
Итак, если не горит сетевой индикатор. Прежде всего необходимо через сетевую вилку убедится в целостности цепи первичной обмотки трансформатора. Для этого через штыри вилки подключения сетевого питания нужно прозвонить омметром целостность первичной обмотки трансформатора коснувшись щупами прибора за штыри сетевой вилки, если цепь показывает обрыв, тогда нужно осмотреть детали внутри корпуса.
Возможен обрыв предохранителя, обычно это тоненькая проволочка, протянутая в фарфоровом или стеклянном корпусе, сгорающая при перегрузках. Но некоторые фирмы, например, «Интерскол», для того чтобы предохранить обмотки трансформатора от перегрева устанавливают между витками первичной обмотки тепловой предохранитель, цель которого при достижении температуры 120 — 130° С, разрывать цепь питания сети и, к сожалению, ее уже после разрыва не восстанавливает.
Обычно предохранитель находится под покровной бумажной изоляцией первичной обмотки, после вскрытия которой, можно легко обнаружить эту деталь. Чтобы снова привести схему в рабочее состояние, можно, просто спаять концы обмотки в одно целое, но нужно помнить — трансформатор остается без защиты от короткого замыкания и лучше всего вместо теплового установить обычный сетевой предохранитель.
Если цепь первичной обмотки целая, прозванивается вторичная обмотка и диоды моста. Для прозвонки диодов лучше выпаять один конец из схемы и проверить диод омметром. При подсоединении концов к выводам поочередно щупов в одну сторону, диод должен показывать обрыв, в другую, короткое замыкание.
Таким образом необходимо проверить все четыре диода. И, если, уж, мы залезли в схему, тогда лучше всего сразу поменять конденсатор, потому, что диоды обычно перегружаются по причине высовшего электролита в конденсаторе.
Купить блоки питания для шуруповерта
Любой ручной инструмент и аккумуляторы можно приобрести у нас на сайте. Для этого необходимо пройти простую процедуру регистрации и далее следовать по несложный навигации. Простая навигации сайта легко выведет на необходимый для вас инструмент. На сайте можно посмотреть цены и сравнить их с конкурирующими магазинами. Любой возникший вопрос можно решить с помощью менеджера, позвонив по указанному телефону или оставить вопрос дежурному специалисту. Заходите к нам, и вы не останетесь без выбора необходимого вам инструмента.
Практически у всех современных литий-ионных аккумуляторов отличная энергоёмкость, а также высокие малогабаритные показатели. Именно с их помощью можно питать устройства высокой мощности с наибольшей эффективностью. И совершенно не обязательно для этого покупать готовое зарядное устройство в магазине, ведь есть вариант более бюджетный, который особенно понравится радиолюбителям - собрать зарядное для литий-ионных аккумуляторов своими руками.
Меры предосторожности: перезаряд недопустим
Крайне важно перед началом сборки АКБ для батарей запомнить одну простую вещь - литиевые аккумуляторы строго запрещено перезаряжать. У них очень строгие требования к режиму зарядки и эксплуатации, поэтому их нельзя заряжать до напряжения больше 4,2 В. А ещё лучше руководствоваться информацией о безопасном пороге для каждой отдельно взятой банки. Кстати, там может быть указан даже меньший порог, который считается допустимым для этого экземпляра.
Ещё лучше, если вы собираетесь делать зарядку для литиевых аккумуляторов своими руками, несколько раз проверить используемые материалы и оборудование. Если у вас сомнения относительно точности показаний вашего вольтметра или происхождения банок, а также максимально допустимой мощности их заряда, лучше ставить порог ещё меньше. Оптимально будет в пределах 4.1–4.15 В. В этом случае заряжать АКБ, у которых нет встроенной платы защиты, будет безопасно для вас.
В противном случае велика вероятность сильного нагрева и вздутия банок, обильного выделения газа с резким неприятным запахом и даже их последующего взрыва. Проверьте все несколько раз перед тем, как приступать к сборке и зарядке.
Собираем зарядное устройство для литиевых аккумуляторов своими руками
Чтобы собрать зарядное устройство для литиевых аккумуляторов, достаточно будет одной упрощённой схемы. ЗУ, созданное по такой схеме, практически не нужно будет регулировать, а для работы вам понадобится:
- Задать Uвых=4.2 В без подключённой батареи (с помощью R8);
- Установить зарядный ток, используя R6 и R
В роли индикатора работы ЗУ отлично проявит себя светодиод типа «заряд». Он будет подсвечивать, если подключённый к нему аккумулятор разряжен , и погаснет, когда тот полностью зарядится.
Последовательность сбора зарядки литиевых аккумуляторов своими руками такова:
- подбираете подходящий корпус;
- крепите к нему блок питания (5 В) и элементы указанной схемы (обязательно в правильном порядке);
- берете латунь и вырезаете из неё две полоски, крепите их на гнёзда;
- используя гайку, устанавливаете расстояние между контактами и АКБ, которые собираетесь подключать;
- крепите переключатель, если хотите впоследствии иметь возможность изменять полярность на гнёздах (если - нет, оставляете все как есть).
Как собрать зарядку для литий-ионных аккумуляторов своими руками?
Поскольку Li-Ion батареи чувствительны к резкому напряжению во время зарядки , в фирменных АКБ встроены специальные микросхемы. Они обеспечивают контроль напряжения и не позволяют превышать допустимые пределы. Поэтому для того чтобы собрать зарядку для литиевых аккумуляторов 18650 своими руками, нужна более сложная схема, чем та, о которой шла речь выше.
Такой вариант АКБ будет создать намного сложнее, чем предыдущий и в домашних условиях это возможно, только если есть определённые навыки и соответствующий опыт. В теории вы сможете получить зарядное устройство , которое по характеристикам ничем не будет уступать фирменным АКБ. Но на практике это далеко не всегда так.
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.
