Содержание
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
| 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.
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.
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.
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.
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.
Источник: http://www.texnic.ru/konstr/zaryd/z39.html
Как правильно заряжать литий ионный аккумулятор: как собрать литиевую батарею своими руками
Изначально литий ионные батарейки предназначались для мобильных устройств будь-то телефоны, фотоаппараты, видеокамеры, ноутбуки, но в последнее десятилетие выпуск литиевых аккумуляторов налажен и большинством автопроизводителей.
Тогда зачем собирать самому, если можно купить готовый аккумулятор? Есть достаточно причин:
- собранные на заводе литиевые аккумуляторные батареи — неоправданно дорогие;
- очень трудно найти подходящий по габаритам аккумулятор для мотоцикла, автомобиля;
- если собранная батарея влезет с запасом в установочное место, то у неё будет ниже емкость.
Своими руками можно собрать батарею из отдельных элементов, которая будет ограничена лишь энергоплотностью и ценой за ватт-час, в зависимости от типа выбранных элементов:
- NiMH — никель металогидридные;
- Li-ion — литий ионные;
- Li-pol — литий полимерные;
- LiFePO4 — литий железо-фосфатные;
- Lead-Acid — свинцово-кислотные.
Опасность перезаряда литиевых элементов
С литиевыми элементами нужно обращаться осторожно, поскольку в них сосредоточена большая энергия на малую площадь при полном заряде. Поэтому уже давно в продаже имеются защищенные Li-ion и Li-pol батарейки.
Ещё в 1991 году компания Sony обратила внимание на взрывоопасность Li-ion элементов. В настоящее время все без исключения аккумуляторы наматываются с двухслойным сепаратором между пластинами, чтобы исключить риск внутреннего короткого замыкания.
Все фирменные батарейки снабжены платой защиты на полевом транзисторе, которая отключает их в следующих случаях:
- Аккумулятор чрезмерно разряжен — ниже 2,5 В.
- Перезаряжен — свыше 4,2 В.
- Подан слишком большой ток заряда — более 1С (С является ёмкостью аккумулятора в Ач).
- Короткое замыкание.
- Превышен ток нагрузки — более 5С.
- Неправильная полярность при заряде.
Для дополнительной подстраховки служит термопредохранитель, размыкающий цепь при перегреве литиевого элемента свыше 90 °C.
Как найти батарею с защитой?
Литиевые аккумуляторы выпускаются в бытовом и технологическом исполнении. Батарейки для бытового использования имеют прочный пластмассовый корпус и встроенную электронную защиту. Технологические элементы, предназначенные для промышленного использования, чаще всего выпускаются в бескорпусном виде и не имеют встроенной защиты.
- Защищенные аккумуляторы имеют слово «protected» в названии, незащищенные — «unprotected».
- Батарейки с защитой длиннее обычных на 2–3 мм из-за платы, которая устанавливается на торце возле минусового полюса.
- Цена на батарейки с защитой при одинаковой ёмкости всегда выше, ведь плата с электронными компонентами тоже стоит денег.
Плюсовой полюс батарейки обязательно соединяется с защитной платой тонкой пластинкой, иначе защита работать не будет.
О балансировке элементов литиевого аккумулятора
При последовательном соединении отдельных элементов их напряжения суммируются, а ёмкость остаётся той же. Даже из одной серии батарейки имеют различные характеристики, поэтому заряжаются они с разной скоростью. Например, при заряжании до суммарного напряжения 12,6 В элемент посередине может перезарядиться до 4,4 В, что опасно его перегревом.
Дабы не происходило чрезмерного перезаряда незащищенных элементов, применяются балансировочные шлейфы, подключаемые к специальным зарядным устройствам, например: iMAX B6 и Turnigy Accucel-6.
Каждая Li-ion и Li-pol аккумуляторная батарейка бытового назначения имеет самую совершенную защиту от перенапряжений, в виде схемы контроля напряжения, ключа на полевом транзисторе и термопредохранителя.
Балансировка защищённых элементов не требуется, поскольку при возрастании напряжения на каком-то из них до 4,2 В, зарядка гарантированно прервётся.
При сборке батареи из элементов без защиты есть выход из положения — поставить одну плату контроля напряжения на все батарейки, к примеру, соединив их по схеме 4S2P — 4 последовательно, 2 параллельно.
Также не нужна балансировка параллельно соединённых элементов.
При параллельном соединении батареек их напряжение остаётся прежним, а ёмкости суммируются.
О ёмкости литиевых аккумуляторов
Ёмкость — способность аккумулятора отдавать ток, измеряемая в миллиампер час (мАч) или ампер час (Ач). К примеру, батарейка ёмкостью в 2 Ач сможет отдавать ток в 2 A один час, или в 1 A два часа. Но эта зависимость тока от времени подключения нагрузки не линейна — в определённой точке графика при увеличении тока вдвое время работы батареи снижается вчетверо. Поэтому производители всегда указывают ёмкость, высчитанную при разряде аккумулятора чрезмерно малым током в 100 мА.
Количество энергии зависит от напряжения аккумулятора, поэтому никель металогидридные элементы при одинаковой ёмкости имеют в 3 раза меньшую 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.
При поиске и покупке аккумуляторных батареек отдавайте предпочтение известным фирмам, таким как Samsung, Sony, Sanyo, Panasonic. Батарейки этих производителей имеют ёмкость наиболее соответствующую той, что указана на их корпусе. Надпись 2600 мА на элементах Sanyo не сильно отличается от их настоящей ёмкости в 2500–2550 мА. Подделки китайских производителей с хвалёной ёмкостью в 4200 мА недотягивают и до 1000 мА, зато цена на них в два раза ниже японских оригиналов.
Как соединить литиевые батарейки?
Для сборки аккумулятора из литиевых батареек можно применять:
- пайку;
- соединительные коробки;
- неодимовые магниты;
- точечную сварку.
Пайку при заводской сборке применяют крайне редко, так как литиевый элемент разрушается от нагрева, теряя при этом часть своей ёмкости. С другой стороны, в домашних условиях пайка будет оптимальным способом соединения батареек, поскольку даже мизерное сопротивление на контактах значительно снизит суммарное напряжение на общих клеммах. Пользоваться нужно мощным паяльником на 100 Вт, и прикасаться им к литиевым батареям не более чем на две секунды.
Мощные редкоземельные магниты покрываются слоем никеля или цинка, поэтому их поверхность не окисляется. Эти магниты обеспечивают прекрасный контакт между батарейками. Если захотите припаять проводок к магниту, не забывайте о температуре Кюри, свыше которой любой магнит становится камушком. Ориентировочно допустимая температура для магнитов составляет 300°С.
Если пользоваться коробком для соединения аккумуляторов, то становиться очевидным большой плюс, поскольку так легче будет подобрать батарейки по напряжению или поменять испорченный элемент.
Точечная сварка — наилучший способ соединения литиевых элементов, используемый при сборке батарей для ноутбуков.
Об экономии при сборке мощных литиевых батарей для питания электроавтомобилей или систем автономного электроснабжения дома судить тяжело, так как в этих случаях присутствуют дополнительные затраты на оборудование управления и контроля.
Автор: Виталий Петрович. Украина, Лисичанск.
Источник: https://volt-index.ru/muzhik-v-dome/akkumulyator-iz-litiy-ionnyih-batareek-svoimi-rukami.html
Схемы самодельных зарядок для литий-ионных аккумуляторов (18650, 14500 li-ion), как правильно заряжать литий-полимерные АКБ
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):
| XXYY0, где XX – указание диаметра в мм, YY – значение длины в мм, – 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 тут.
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.
Источник: http://electro-shema.ru/chertezhi/zaryadka-dlya-li-ion-akkumulyatorov.html