Литий ионный аккумулятор зарядка соединения и схемы

Литий ионные аккумуляторы в начале использовались в основном для мобильных гаджетов, но в последнее время аккумуляторы этого типа получили широкое распространение в различных моделях электроинструмента и даже в электромобилях. В рамках данной статьи мы расскажем о многих моментах связанных с Li-ion батареями, о принципах работы, разновидностях, о там как правильно заряжать аккумуляторы, приведем множество схем и радиолюбительских констркций по данной теме, покажем как своими руками сделать батарею из отдельных элементов.

Но сначала предложу ознакомится с небольшой подборкой схем зарядных устройств и других полезных конструкций для литий ионных аккумуляторов

Как разобрать батарею ноутбука
Индикатор разряда Li-ion батарей

Из теории об аккумуляторных батареях мы помним, что литиевые аккумуляторы нельзя разряжать ниже уровня 3,2 Вольт на банку, иначе он теряет заложенную емкость и гораздо быстрее выходит из строя. Поэтому контроль минимального уровня напряжения очень важен для литиевых батарей. Конечно в мобильном телефоне или ноутбуке вариант критического разряда исключен умным контроллером.

Зарядка аккумулятора для литиевых батарей

Потерял в командировку родное зарядное устройство от цифрового фотоаппарата. Купить новое типа "лягушка". Жаба задавила, ведь я радиолюбитель и поэтому смогу сам спаять зарядку литиевых аккумуляторов своими руками, к тому же сделать это очень легко.

Зарядное устройство для литиевого аккумулятора от USB порта компьютера с контроллером

Эта радиолюбительская конструкция предназначено для зарядки Li-ion аккумуляторов от мобильных телефонов и типа 18650

Литиевые аккумуляторы их классификация и виды

В зависимости от материала изготовления положительного электрода Li-ion аккумулятора, бывает несколько их разновидностей:

с катодом из кобальтата лития
с катодом на базе литированного фосфата железа
на основе никель-кобальт-алюминия
на базе никель-кобальт-марганца

Все современные li-ion изготавливают в различных типоразмерах. Они бывают как в корпусном исполнении (например, 18650, 14250) так и в ламинированном исполнении (гель-полимерные). Конструкция представляет собой герметично запаянный пакет из пленки, в котором имеются электроды и электродная масса. Но все они изготавливаются на номинальное напряжение 3.7 вольта.

Где проще всего достать Li-ion элементы

Сегодня литий ионные аккумуляторы используются где только можно, однако до сих пор не многие знают, что их можно демонтировать из сломанных аккумуляторных батарей ноутбуков и нетбуков, причем с высокой вероятностью они еще могут послужить во многих радиолюбительских самоделках. Рассмотрим практический пример разборки аккумуляторной батареи от ноутбука, для дальнейшего использования ее составляющих


Как правильно заряжать литиевые батареи

Правильно заряжать литиевые аккумуляторы в два этапа, это гарантирует практически полный заряд li-ion на всю их емкость, не снижая срока их эксплуатации.

Подготовка к процессу заряда батареи - предзаряд применяется у глубоко разряженных аккумуляторов (ниже 2.5 В) для вывода их на нормальный режим от 2,8 Вольт.

На первом этапе обеспечивается постоянный зарядный ток. Величина его 0.2-0.5 от емкости аккумулятора. Для ускоренного заряда разрешается увеличение до 0.5-1.0 от емкости.

Например, для батареи 18650 емкостью 3000 мА/ч, номинальный зарядный ток на первом этапе составляет 600-1500 мА, а ускоренный - 1.5-3А.

Когда напряжение на заряжаемой батареи поднимется до уровня 4.2 вольта, он наберет 70-80% своей полной емкости, начинается второй этап заряда постоянным напряжением, но плавно уменьшающимся током. Как только он уменьшится до 0.05-0.01С, процесс заряда закончится.

На втором этапе, батарея накапливает еще 0.1-0.15 своей емкости. Общий заряд достигает 90-95% у нового исправного аккумулятора. С течением времени этот показатель, к сожалению плавно снижается.

Сколько времени нужно заряжать, Li-ion батареи?

Умная зарядка сама подберет нужный ток и время, просигнализирует об окончаниии заряда, если же вы имеете дело с простым ЗУ, в роли которого может выступать даже обычный блок питания на 5 вольт или USB порт компьютера. Время заряда зависит от тока заряда и рассчитывается по формуле ниже:

T = С / Iзар

Т.е для батареи емкостью 3400 мА/ч с зарядным током в 1А, время процесса составит около 3-4 часов.

Литий ионный аккумулятор своими руками от теории к практике

Литиевые элементы нужно эксплуатировать очень осторожно, т.к в них скоплена большая энергия на ограниченную площадь, особенно при полном заряде. Ещё в далеком 1991 году корпорация Sony сделала акцент на взрывоопасность Li-ion батарей. Поэтому сегодня все они изготавливаются с двухслойным сепаратором между пластинами, чтобы предотвратить риск внутреннего короткого замыкания. Кроме того все батареи в сборе снабжаются платой защиты на полевом транзисторе, которая отключает их от зарядного устройства в следующих вариантах:

Li элемент сильно разряжен — ниже уровня 2,5 В
Li элемент перезаряжен — более 4,2 В
Поступил слишком большой зарядный ток
Случилось короткое замыкание
Превышен максимальный ток нагрузки в течении 5 секунд
Неправильная полярность Li элемента в ЗУ

Для дополнительной страховки во многих составных батареях имеются термопредохранители, размыкающий цепь заряда при перегреве Li элемента свыше 90 °C.

Балансировка отдельных элементов из составного литиевого аккумулятора

При последовательном соединении элементов питания их напряжения складывается, а ёмкость батареи остаётся такой же. Но даже если Li элементы взять из одной партии, они все равно имеют различные параметры, поэтому и заряжаться они будут с разной скоростью. Например, при заряде до суммарного напряжения в 12,6 В элемент в центре схемы может перезарядиться до уровня 4,4 В, что опасно его перегревом, и потерей свойств.

Последовательное соединение трех Li элементов

Поэтому каждая Li-ion и Li-pol аккумуляторная батарея должна иметь защиту от перенапряжений, в виде схемы контроля уровня напряжения каждого элемента или ключа на полевом транзисторе с термопредохранителем.

При сборке своими руками аккумулятора из отдельных элементов без защиты есть простой выход из ситуации, требуется установить, как минимум одну схему контроля напряжения на все элементы, к примеру, подключив их по схеме — 4 последовательно, 2 параллельно, как на рисунке ниже.

Балансировка li элементов

При параллельном соединении элементов их напряжение остаётся прежним, а ёмкости суммируются, при этом балансировка не требуется.

 

Емкость литиевых аккумуляторов

Ёмкость это способность аккумулятора отдавать ток, она измеряется в миллиампер час (мАч) или ампер час (Ач). Допустим, отдельный Li элемент в 2 Ач сможет отдавать ток в 2 A в течение одного часа, или в 1 A в течение двух часов. Но эта зависимость не линейна и в определённой точке время работы батареи снижается резко. Поэтому производители аккумуляторов всегда указывают ёмкость, высчитанную при разряде чрезмерно низким током в 100 мА.

Количество накопленной энергии зависит от напряжения батареи, поэтому никелевые элементы при одинаковой ёмкости имеют в три раза ниже энергоёмкость, чем литий ионные:

NiMH — 1,2 В × 2,2 Ач = 2,64 ватт-часа;
Li-ion — 3,7 В × 2,2 Ач = 8,14 ватт-часа.

О практике соединения литиевых аккумуляторов?

Для сборки аккумулятора из отдельных литиевых элементов можно использовать:

пайку мощным паяльником
соединительные коробки
мощные магниты
устройство точечной сварки

Пайку применяйте крайне осторожно, так как литиевые батареи теряют свои свойства от нагрева, в том числе и ёмкость. С другой стороны, в домашних условиях пайка мощным паяльником от 100 Вт будет доступным методом соединения батареек, т.к даже мизерное сопротивление на контактах значительно снизит суммарное напряжение на общих клеммах. Учтите, при этом, что касаться к Li элементам следует не более чем на пару секунд.

пайка li элементов

Если пользоваться коробком для соединения отдельных компонентов (их проще всего заказать на китайских аукционах), то виден большой плюс, т.к становится намного легче подобрать батарейки по напряжению или поменять испорченный компонент.

Точечная сварка — наилучший метод соединения отдельных элементов, получила широкое распространение при сборке батарей для ноутбуков.