Насколько сложно реализовать защиту литий-ионного аккумулятора


СОДЕРЖАНИЕ:

Правильная эксплуатация литий-ионных аккумуляторов

В этой статье под правильной эксплуатацией литий-ионных аккумуляторов мы будем понимать соблюдение таких условий, в которых литий-ионный аккумулятор портативного устройства сможет работать безопасно, прослужит долго, причем функционирование устройства останется полноценным.

Речь пойдет именно о литий-ионных аккумуляторах, поскольку в большинстве современных мобильных гаджетов: в планшетах, в ноутбуках, в смартфонах и т. д. — установлены именно литиевые аккумуляторы. И если раньше можно было часто встретить никель-металл-гидридные, никель-кадмиевые, то сегодня массово применяются литиевые.

При правильной эксплуатации литий-ионный аккумулятор прослужит в 10-15 раз дольше, нежели при использовании как попало, что и будет раскрыто далее по тексту. Здесь будут приведены рекомендации для пользователей, соблюдение которых поможет сохранить литиевый аккумулятор эффективным и емким на протяжении всего периода пользования портативным устройством, пока не придет время и решение приобрести новое на замену старому.

Часто аккумулятор смартфона вздувается, нередко деформируя и корпус. Вздутие — симптом накопления газов, продуктов реакций протекающих внутри аккумулятора при неправильной его эксплуатации, приводящего к повышению давления на корпус изнутри.

Если вовремя не заменить вздувшийся аккумулятор, он в какой-то момент полностью разрушится или в худшем случае взорвется. Но самое интересное в этой истории со смартфоном то, что описанную проблему легко можно предупредить и предотвратить, соблюдая простые правила эксплуатации устройства с литий-ионным аккумулятором, и тогда ресурс аккумулятора сохранится максимально долго.

Не допускайте перегрева

Лишнее тепло, по какой бы причине оно не появилось, вредит литий-ионной батарее сильнее всего. Причинами могут стать как внешний источник тепла, так и стрессовые режимы заряда и разряда. Так, если вы оставили смартфон на солнце, например на пляже или в держателе внутри автомобиля, это снизит как способность аккумулятора принимать заряд в процессе зарядки, так и способность удерживать его после.

Лучше всего для сохранения емкости литиевой батареи, если температура ее корпуса не поднимается выше 20°C. Ежели температура поднимется выше 30°C, то способность удержания заряда уже понизится с исходных 100% до 80%.

При нагреве до 45°C способность аккумулятора удерживать заряд ослабнет уже вдвое. Температура в 45°C, кстати, легко достигается, если оставить устройство на солнце или интенсивно использовать энергетически мощные приложения.

То есть, если вы заметили, что устройство или аккумулятор ощутимо разогрелись, перейдите в прохладное место (если причина в температуре окружающей среды) или отключите ненужные приложения и службы, снизьте яркость дисплея, включите энергосберегающий режим — так вам удастся снизить потребляемую устройством мощность, и снизить ток, который течет через аккумулятор — аккумулятор начнет остывать.

Если это не поможет, выключите устройство, выньте батарею (если возможно) и подождите, пока она не охладится или пока не остынет устройство, если конструкция не позволяет извлечь аккумулятор.

Напротив, чрезвычайно холодная батарея, при температуре ниже -4°C, просто не сможет отдавать полную мощность пока не прогреется, лучше если до комнатной температуры.

Но вообще низкие температуры не способны причинить литиевой батарее такой необратимый ущерб, какой причиняют повышенные, поэтому после прогрева до комнатной температуры чрезвычайно холодного аккумулятора, свойства его электролита восстановятся. Выньте холодную батарею из устройства в помещении, или немного согрейте ее в руках, затем вставьте обратно.

Вовремя отключайте зарядное устройство

Если аккумулятор заряжается дольше чем положено, то есть если он остается подключен к источнику зарядного тока даже после того как полностью зарядился, это может убить аккумулятор, сильно понизив его емкость.

Суть в том, что рабочий уровень обычного литиевого аккумулятора не должен для безопасной работы превышать 3,6 вольта, однако зарядные устройства в процессе зарядки подают на клеммы 4,2 вольта. И если зарядное устройство вовремя не отключить (благо, некоторые отключаются автоматически сами), то внутри аккумулятора начнутся вредные реакции. В худшем случае пойдет чрезмерный перегрев, и цепная реакция в электролите не заставит себя долго ждать.

Фирменные оригинальные зарядные устройства (которые идут в комплекте с самим гаджетом от производителя) отличаются высоким качеством, они сами способны снижать зарядный ток, взаимодействуя по правильному алгоритму с аккумулятором и со встроенным в гаджет контроллером.

С оригинальными зарядными устройствами опасность наступления перезаряда минимальна. Но лучше всего для верности сразу отключать заряжаемое устройство от зарядника, как только поступил сигнал (звук, световая индикация или пиктограмма на экране), что аккумулятор полностью заряжен. Не оставляйте очень надолго полностью заряженный смартфон подключенным к зарядному устройству.

Не беспокойтесь, что когда вы отключите смартфон от зарядника, он начнет разряжаться, ведь литиевые аккумуляторы отличаются от других типов аккумуляторов низким уровнем саморазряда. Если даже аккумулятором вообще не пользоваться после зарядки, то спустя сутки после отключения зарядки лишь 5% энергии, но все ровно убудет, а за следующий месяц — еще 2%.

В любом случае нет необходимости оставлять устройство на подзарядке (даже от фирменного зарядного устройства) до последнего момента, лучше отключить сразу, как только на дисплее (или индикатором) показан полный заряд.

Все современные мобильные устройства на литий-ионных аккумуляторах показывают 100% заряда, когда аккумулятор действительно полностью заряжен, нет никакой необходимости держать дольше.

Не допускайте глубокий разряд

Есть разные варианты использования ресурса аккумулятора. Если каждый раз разряжать батарею быстро и полностью, это будет регулярно сопровождаться выделением большого количества тепла, ведь разрядные токи через батарею будут течь немалые, а это разрушительная нагрузка на аккумулятор.

Если же небольшие разрядные циклы будут короткими, пусть даже потом аккумулятор будет дозаряжен, а затем снова разряжен несколькими порциями, ресурс аккумулятора сохранится дольше.

Современные литиевые аккумуляторы нормально выдерживают неполный разряд и дозаряд, не то что самые первые литиевые экземпляры!

И если рассмотреть влияние циклов разряда-заряда на общий жизненный ресурс аккумулятора, то на самом деле три цикла разряда до 66% и дозаряда до 100% принципиально эквивалентны по изнашивающему действию паре циклов разряда до 50% и затем дозаряда до 100%.

Много коротких циклов разряда-заряда не вреднее нескольких более длительных циклов. Вреден интенсивный разряд — он вызывает нагрев и ведет к необратимым процессам, если является глубоким (до 20% и ниже).

Нагрев и высокая токовая нагрузка однозначно снижают общий жизненный ресурс аккумулятора. Каждый глубокий разряд медленно но верно ведет к необратимым разрушениям, поэтому старайтесь вообще избегать глубокого разряда. Если смартфон сам выключился — это признак глубокого разряда — не следует до этого доводить. 20% достаточно для того, чтобы поставить устройство на подзарядку или вставить резервную батарею.

Разряжайте и заряжайте литиевый аккумулятор медленно

Как было сказано выше, интенсивная разрядка и зарядка сопровождаются большими токами через электролит аккумулятора, что и ведет к его перегреву, и следовательно — к разрушительным процессам (смотрите — Почему взрываются литий-ионные аккумумляторы).

Но даже если стрессовый режим был допущен, и аккумулятор сильно нагрелся, не спешите ставить его на зарядку. Подождите пока он остынет, и только после этого подключайте к зарядному устройству, тогда он сможет нормально и безопасно принимать заряд.

В процессе зарядки аккумулятор тоже не должен перегреваться, если такое происходит, значит через электролит текут слишком большие токи, а это вредно.

Некачественные зарядные устройства грешат так называемой «быстрой зарядкой», как и некоторые индукционные беспроводные зарядники. Такими «быстрыми» зарядными устройствами лучше не пользоваться. Дело в том, что безопасное зарядное устройство обязано реагировать на ток, потребляемый аккумулятором в процессе зарядки, и оперативно менять подаваемое напряжение, если нужно — снижать, когда нужно — повышать.

Если зарядное устройство — это просто трансформатор с выпрямителем, то ваш аккумулятор скорее всего перегреется из-за перенапряжения и постепенно разрушится. Не все «быстрые» зарядники совместимы с литиевыми аккумуляторами.

Самый лучший вариант — оригинальное зарядное устройство от того же производителя, что и у заряжаемого устройства, идеально — зарядник из комплекта. Но если возможности применить оригинальный зарядник нет, то пользуйтесь тем, который дает меньший ток — это спасет аккумулятор от перегрева из-за подачи чрезмерной мощности.

Хорошая альтернатива оригинальному зарядному устройству — USB-порт компьютера. USB 2.0 даст 500mА, USB 3.0 — максимум 900mА. Этого достаточно для безопасной зарядки.

Некоторые из «быстрых» устройств способны вкачивать в батарею по 3-4 ампера, но это разрушительно для батарей небольшой емкости, коими являются аккумуляторы карманных мобильных гаджетов (см. документацию). Небольшой ток от USB – гарантия сохранности литий-ионного аккумулятора.

Имейте при себе резервный аккумулятор

Многие устройства допускают извлечение батареи, поэтому иметь запасной аккумулятор — совсем не проблема. Время работы устройства возрастет вдвое, исключается глубокий разряд (заранее установить резервный аккумулятор, не дожидаясь полного разряда основного), отпадает соблазн использовать вредный «быстрый» зарядник. 20% разряда основного аккумулятора — сигнал к тому чтобы установить резервный.

Если первая батарея сильно нагрелась от интенсивной нагрузки или по причине внешнего нагрева (случайно оставили на солнце) — вставьте запасную, и пока первая будет остывать, вы продолжите пользоваться вашим устройством, сохранив оба аккумулятора невредимыми. Когда тот что нагрелся остынет, его можно будет поставить на дозарядку в оригинальное зарядное устройство (сетевое или автомобильное).

Итак, чтобы литиевый аккумулятор прослужил долго и верно, необходимо:

1. Не допускать разогрева аккумулятора выше 30°C, лучшая температура 20°C.

2. Исключить чрезмерный заряд аккумулятора и перенапряжение на клеммах, оптимально 3,6 В.

3. Избегать глубокого разряда аккумулятора — пусть 20% будет пределом.

4. Не допускать высокие токовые нагрузки во время заряда и разряда (см. документацию), использовать USB.

Правда и мифы о литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторах для вилочных погрузчиков и складской грузоподъемной техники

Рано или поздно каждый собственник складской техники сталкивается с тем, что ему нужно купить новый электропогрузчик или заменить на своём погрузчике отслужившую свой срок аккумуляторную батарею. Такая же задача может стоять и в отношении остальной складской техники — электротележек, штабелёров, комплектовщиков и т.д. Одной из важных задач в этом случае будет вопрос, какой тип аккумулятора выбрать? Поставщики тяговых батарей для напольного грузоподъемного транспорта предлагают как классические свинцово-кислотные аккумуляторы, так и необслуживаемые клапанно-регулируемые или гелевые батареи. Альтернативой свинцово-кислотным аккумулятором является более современный литий-ионный (литий-железо-фосфатный) источник питания. Правда многие потребители до сих пор опасаются данной технологии и по старинке используют аккумуляторы старого типа. Такой подход на наш взгляд может быть из-за недостатка информации о плюсах и минусах тяговых аккумуляторов различных типов. Ниже мы попытаемся развеять мифы о литий-ионных аккумуляторах.

Миф первый

Литий-ионные аккумуляторы не безопасны и лучше их не использовать в качестве источника питания электрического погрузчика, штабелёра, электротележки. Они могут взрываться, самовозгораться, поэтому лучше с ними не связываться

Трудно было бы с этим спорить, если бы мы были в 80-х годах прошлого века. Действительно первые образцы литий-ионных батарей не отличались высокой безопасностью. При работе такой батареи существовал риск короткого замыкания внутри элементов, нагрева и даже возгорания. Обычно это могло произойти в конце срока службы по причине низкой химической стабильности компонентов батареи.

В первых коммерческих литий-ионных батареях, выпущенных компанией Sony в 1991 году, металлический литий был заменен на более безопасную ионную форму. Однако даже после этого сфера использования данных аккумуляторов ограничивалась мелкой бытовой электроникой. Речи об использовании литий-ионных батарей в качестве источника питания складской техники тогда даже не было.

Ситуация кардинально изменилась в 1997 году, когда было изобретено новое соединение – литий-железо-фосфат (LiFePo4) в качестве катодного материала литий-ионных аккумуляторов. Это соединение является безопасным, и не содержит ядовитых веществ. Правда только в 2005-2006 годах ученым в США удалось окончательно доработать эту «химию», так чтобы стало возможным её коммерческое использование. В результате появились на свет литий-железо-фосфатные аккумуляторы с поистине революционными характеристиками в сравнении с обычными свинцово-кислотными батареями. Именно литий-железо-фосфатные батареи используются для питания электропогрузчиков и складской техники.

Кроме безопасного химического состава каждая литий-ионная тяговая батарея имеет блок управления (BMS), который управляет процессом заряда-разряда, защищает ячейки батареи от перезаряда и глубокого разряда. Даже если по какой-то причине BMS не отключит батарею в экстренной ситуации, то каждая ячейка имеет предохранительный клапан на случай перезаряда или короткого замыкания. Клапан сбросит внутреннее давление в ячейке в нештатной ситуации, чтобы избежать взрыва.

А как же относится к случаям возгорания и/или взрыва литий-ионных батарей смартфонов, планшетов, электронных сигарет и прочих девайсов, которые то и дело появляются в СМИ? К счастью эти аккумуляторы имеют мало общего с тяговыми батареями. В основном все эти случаи связаны с коротким замыканием внутри аккумулятора по причине физической деформации в результате ударов или других повреждений.

Миф второй

Я привык работать со свинцово-кислотными батареями и меня всё в них устраивает. Литий-ионные батареи для вилочных погрузчиков — это что-то из области фантастики и мне это не очень интересно

Разница между литий-ионными и свинцово-кислотными аккумуляторами примерно такая же, как между современной электричкой и паровозом. Свинцово-кислотный аккумулятор был изобретён в 1859 году. Это даже не прошлый, а позапрошлый век. Широко известны главные недостатки этих аккумуляторов, от которых они никогда не избавятся.

Перечислим пять самых критичных:

  • Во-первых, это использование в качестве электролита свинцово-кислотных аккумуляторов раствора серной кислоты. Отсюда едкий запах, взрывоопасное выделение газа при зарядке, необходимость доливки воды. Как результат нам нужно оборудовать зарядную комнату и нести затраты на обслуживание таких батарей.
  • Во-вторых, риски значительного сокращения срока службы в силу небрежного отношения персонала. Срок службы может серьезно сократиться по причине отсутствия контроля за уровнем и плотностью электролита, хранения разряженной батареи, разрядов ниже допустимой глубины, нарушений температурного режима использования, не соблюдения полных циклов заряда-разряда. Другими словами свинцово-кислотный аккумулятор это довольно капризная вещь, требующая регулярного присмотра.
  • В-третьих, длительное время зарядки. Чтобы полностью нормально зарядить классическую кислотную батарею с жидким электролитом необходимо как минимум 7,5-8 часов. Возможны более быстрые режимы зарядки, но это нельзя делать ежедневно. Для быстрой зарядки необходимы высокие токи, что сильно сокращает срок службы свинцово-кислотных батарей в силу особенности данной технологии.
  • В-четвертых, для организации многосменной работы требуется не просто оборудовать зарядную комнату, но и иметь комплект из 2-х батарей на каждую единицу техники. Обычно тяговые кислотные батареи весят от нескольких сотен килограмм до 1 тонны и более. Поэтому необходимо ещё и оборудование для транспортировки и безопасной замены. Как правило это специальные рольганги, столы или кран-балки.
  • В-пятых, низкий КПД. Свинцово-кислотные батареи только 80% потраченной на их зарядку энергии затем отдают на питание складской техники. Остальное улетучивается в виде тепла.

Давайте посмотрим сколь это в деньгах, к примеру, для ричтрака с кислотной батареей 48 В 750 Ач. Такая батарея за один цикл с учётом глубины разряда 80% отдает 48*750*80%/1000 = 28,8 кВт. За средний срок службы 5 лет при условии 1 цикла в день и 250 рабочих дней получится 28,8*250*5= 36 000 кВт. Но реально мы потратим на электричество на 20% больше, что составит при цене 0,15 евро/1 кВтч — 36 000*20%*0,15=1080 евро. Больше 1000 евро просто улетучится с каждой батареи. Это еще не при самом интенсивном режиме работы.

Всех этих недостатков лишены литий-железо-фосфатные батареи для питания напольного электрического транспорта. Они ничего не выделяют во время зарядки и разрядки, не требуют какого-либо обслуживания, сами автоматически выключаются, чтобы не допускать глубокого разряда и могут без ущерба сроку службы подвергаться любому количеству промежуточных зарядов. Время полной зарядки составляет как правило 1,5-2 часа. Можно использовать одну батарею для многосменной работы, если есть хотя бы небольшие перерывы для промежуточных зарядов. КПД литий-железо-фосфатных аккумуляторов составляет 96%, срок службы в среднем 3000-5000 циклов в зависимости от производителя.

Миф третий

Свинцово-кислотные батареи постоянно совершенствуются. Есть гелевые необслуживаемые батареи, для которых не требуется зарядная комната. Есть батареи типа HFC (Hawker NexSys), которые не выделяют газов при зарядке и могут подвергаться промежуточным зарядам

Действительно, такие батареи есть, но всё это похоже на попытки ехать на загнанной лошади. Сама свинцово-кислотная технология уже себя исчерпала. Никакие ухищрения производителей не позволят побороть основные её недостатки.

Клапанно-регулируемые батареи действительно почти не выделяют газов. Однако они являются условно не обслуживаемыми. Электролит в них представляет собой тот же раствор серной кислоты в связанном состоянии. Соответственно на эти батареи распространяются все те же недостатки свинцово-кислотных батарей, перечисленные выше, в том числе и необходимость отвода газов при зарядке. В руководстве по эксплуатации клапанно-регулируемых батарей указывается, что батареи в процессе зарядки выделяют крайне мало газов. Однако при их эксплуатации необходимо соблюдать те же требования безопасности, как и для батарей с жидким электролитом (Стандарт EN 50272-3/ IEC 62485_3 «Тяговые батареи для промышленных погрузчиков»). Другими словами, необходимо предусмотреть отвод газов.

Что касается стандартных гелевых батарей, то это самый неэффективный источник питания для электропогрузчиков и складской техники. Срок службы таких батарей составляет всего 1200 циклов при глубине разряда не более 60%. Для нормального режима заряда таких аккумуляторов можно использовать относительно небольшие токи заряда, обычно 0,25-0,3 С. Поэтому время полного заряда составляет обычно 10-12 часов, а у некоторых батарей 12-14 часов. По этой причине их невозможно использовать для многосменной работы. Не слишком любят такие батареи и эксплуатацию при низких температурах окружающей среды. Работа в условиях отрицательных температур значительно снижает полезную ёмкость гелевой батареи.

Миф четвёртый

Литий-ионные батареи для вилочных погрузчиков — это что-то диковинное. Их пока мало кто покупает

На самом деле рынок литий-ионных аккумуляторов для грузоподъемной складской техники бурно развивается как минимум последние пять-семь лет. Ведущие производители техники активно добавляют в свою производственную линейку модели техники с литий-ионными источниками питания.

Наша компания, как официальный дилер немецкого производителя STILL, не безуспешно предлагает купить погрузчики, штабелёры, электрические тележки с литий-ионным аккумулятором нашим постоянным клиентам в Минске и по всей территории Республики Беларусь. Благодаря нашей помощи в экономическом обосновании покупки литий-ионных батарей в последние годы практически каждая вторая единица техники поставляется нашим клиентам с современным источником питания.

Очень интересной тенденцией является еще и то, что в последние годы в литий-ионную технологию поверили даже производители традиционных свинцово-кислотных батарей. Если пять-семь лет назад они и слышать о литий-ионных батареях не хотели, то теперь сами их производят на ряду с традиционными свинцово-кислотными. Тенденция на наш взгляд такова, что в скором будущем литий-ионные батареи полностью вытеснят обычные свинцово-кислотные.

Миф пятый

Литий-ионные батареи слишком дорогие. Они в разы дороже свинцово-кислотных и нет смысла тратить на них деньги. Подождем пока они подешевеют

Конечно, подождать всегда можно. Действительно есть вероятность, что бурное развитие литий-ионной технологии приведёт к появлению новых игроков на рынке и цены могут пойти вниз. Но даже при нынешнем уровне цен стоит обратить внимание на данный тип аккумуляторов. Если смотреть не просто на покупную стоимость, а ещё учесть срок службы, то окажется, что во многих случаях «дешёвые» свинцово-кислотные батареи обходятся потребителю дороже, чем современные литий-ионные.

Возьмём к примеру ситуацию, когда предприятие имеет парк складской техники, но не имеет специальной комнаты для зарядки обычных свинцово-кислотных батарей. В таком случае приходится либо инвестировать в строительство зарядной, либо использовать гелевые батареи, которые почти не имеют газовыделения в процессе зарядки. Многие идут по второму варианту.

Теперь давайте сравним две простые цифры. Срок службы гелевой батареи любого премиального бренда при соблюдении всех условий эксплуатации составляет не более 1200 циклов заряда-разряда. При этом максимальная глубина разряда допускается не более 60%. Другими словами, если ваша батарея имеет номинальную емкость 100 Ач, то реально вы используете только 60Ач и можете «снять» с неё за весь срок службы 100 Ач х 60% х 1200 = 72 000 Ач. Срок службы такой же литий-железо-фосфатной батареи, собранной, к примеру, на ячейках Winston составляет 5000 циклов при допустимой глубине разряда 80%. Её ресурс составит 100 Aч х 80% х 5000 = 400 000 Ач.

Теперь попробуйте сопоставить стоимость той и другой батареи с учётом ресурса. Литий-ионная батарея заряжается за 2 часа, а не за 11-12 часов, как гелевая. Если сюда добавить более высокий КПД (96% у Li-Ion против 80% у гелевой), то выбор становится очевидным.

Подведем итог:

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы для электрических вилочных погрузчиков и другой складской грузоподъёмной техники уверенно отвоёвывают позиции у традиционных свинцово-кислотных батарей. Свинцово-кислотные батареи никогда не избавятся от своих основных недостатков в силу особенностей данной устаревшей технологии. Единственное их преимущество — это низкая покупная стоимость.

При выборе типа аккумуляторов для складской техники мало учитывать только их покупную стоимость. Стоит сопоставить срок службы, допустимую глубину разряда, время полной зарядки, необходимость обслуживания и пр.

О жизни и здоровье литий-ионных батарей

Поделитесь в соцсетях:

Портативная техника правит бал в нашем динамичном мире. Она незаменима, когда нужно постоянно быть в курсе событий или оперативно управлять бизнесом, да и просто помогает скоротать время в очереди, пробке, общественном транспорте. И даже дома мы часто слушаем музыку с помощью МР3-плеера и просматриваем новости или прогноз погоды на легком мобильном гаджете, ведь с ним так удобно устроиться на диване. Все это было бы невозможно без автономных источников питания, которые, пусть и ненадолго, избавляют от необходимости находиться вблизи розетки.

Наиболее распространены в современной электронике литий-ионные аккумуляторные батареи. Они вполне надежны и безопасны, имеют хорошее соотношение габаритов, емкости и цены. Однако есть множество факторов, способных значительно сократить срок их службы и даже привести к необратимым повреждениям.

Краткая история


Первый серийный литий-ионный аккумулятор выпустила корпорация Sony в 1991 г. На тот момент уже существовали батареи с положительным электродом из лития, но их широкому распространению мешала чрезмерная химическая активность данного материала. Нередки были случаи их возгораний и взрывов вследствие внутренних коротких замыканий. Инженеры Sony заменили металлический литий его ионной формой (кобальтатом лития, LiCoO2) и снабдили каждый аккумулятор электронной схемой управления и защиты BMS (Battery Management System), которая контролировала режимы заряда/разряда и обеспечивала безопасность эксплуатации. Несмотря на постоянные поиски альтернативных материалов, именно литий-кобальтовые батареи до сих пор применяются в мобильных телефонах, ноутбуках, фото- и видеокамерах и прочих портативных устройствах.

Принцип работы литий-ионного аккумулятора

При подаче на электроды зарядного напряжения ионы лития мигрируют из литийсодержащего катода в угольный анод, окисляя его, а при подключении нагрузки – в обратном направлении.

При разряде восстановление отрицательного электрода происходит не полностью, продукты окисления накапливаются, и аккумулятор постепенно теряет емкость. Ее 30%-ная потеря считается концом жизненного цикла батареи, продолжительность которого составляет от 2 до 5 лет (или 500–1000 циклов, в зависимости от условий эксплуатации).

«Вредные советы» и их разоблачение

Литий-ионные батареи не требуют какого-то особенного ухода. Основные правила их эксплуатации можно найти в инструкции к телефону/ноутбуку/камере, а все остальное берут на себя схема BMS и контроллер заряда в питаемом устройстве. Тем не менее при покупке часто можно услышать от продавца или приятеля-«гуру» следующие утверждения:

  1. «…первая зарядка — 12–15 часов…» или, как вариант, «…просто оставляете устройство подключенным всю ночь…»;
  2. «…нужно сделать 3–5 полных цикла, чтобы аккумулятор набрал емкость…»;
  3. «…батарею желательно заряжать и разряжать полностью…»;
  4. «… ну и что, что аккумулятору уже год, он же не использовался; срок его службы зависит исключительно от количества циклов «заряд–разряд»…».

Давайте посмотрим, насколько вышесказанное соответствует действительности.

Первое утверждение попросту лишено смысла – управляющая электроника не позволит зарядить батарею больше положенного.

Совет №2 тоже несостоятелен. Литий-ионные аккумуляторы после первой же зарядки работают с полной отдачей, а разряжаются поначалу быстрее просто потому, что владелец устройства настраивает и изучает его, демонстрирует друзьям и знакомым и т. п. Через неделю-две гаджет входит в нормальный режим, что, естественно, положительно сказывается на автономности. Но одна полная зарядка перед началом использования все-таки желательна. Это нужно не для аккумулятора, а для того, чтобы аппарат мог определить ее реальную емкость и в дальнейшем правильно отображать остаток заряда.

У рекомендации №3 «ноги растут» еще из правил эксплуатации никель-кадмиевых батарей, которые нужно было предварительно полностью разряжать, иначе необратимо терялась часть емкости. Их литий-ионные собратья не имеют подобного «эффекта памяти», мало того – им противопоказан глубокий разряд. При частом применении это неактуально, так как система BMS не дает аккумулятору разрядиться до конца, но если он будет пребывать в разряженном состоянии месяц и более, остатки заряда «утекут», схема защиты заблокирует процесс зарядки и отключится, после чего зарядка будет уже невозможна. Избыточный заряд тоже вреден, но в большинстве устройств это уже учтено, и они заряжают батарею не до 100%.

Встречается также совет типа «заряжайте как хотите, но хотя бы раз в неделю (месяц) проведите цикл полностью». Такая схема работы оптимальна для никель-металлгидридных аккумуляторов – они тоже обладают эффектом памяти, но намного меньшим, чем Ni-Cd, и восстанавливают емкость после 1–2 полных циклов. Для литий-ионных батарей это справедливо лишь частично, так, например, рекомендуется сделать после длительного хранения.

Из утверждения номер 4 следует логичный, казалось бы, вывод: раз время жизни батареи измеряется количеством циклов, значит, лучше использовать по максимуму. Это ошибка. Полные заряд и разряд быстрее изнашивают ее, а неполные циклы, напротив, продлевают жизнь (см. таблицу 1).

Таблица 1. Срок службы (количество циклов) в зависимости от глубины разряда

Глубина разряда Количество циклов разряда
100% 500
50% 1500
25% 2500
10% 4700

К тому же литий-ионные аккумуляторы теряют емкость даже без использования. Уже после года «на полке» их ресурс уменьшается на 5–10%, после 2 лет – на 20–30%. Поэтому, приобретая новое портативное устройство, обращайте внимание на дату выпуска источника питания. Очевидно также, что покупка батареи «впрок», даже если ее трудно найти в продаже, бесполезна.

Холодно-жарко

Очень важно соблюдать температурный режим работы литий-ионных батарей. На морозе ниже -20 °С они просто перестают отдавать ток, а при жаре выше +45 °С хотя и функционируют, но такие климатические условия активизируют процесс старения, значительно сокращая срок жизни аккумулятора. А вот заряжать его можно только при положительных (по Цельсию) температурах, иначе велик риск выхода устройства из строя. Вообще, оптимальная рабочая температура литий-ионных АКБ составляет +20 °С.

Разновидности литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные батареи постоянно совершенствуются, производители активно экспериментируют с материалами электродов и электролита. В 1994 г. появились аккумуляторы с литий-марганцевыми, а в 1996 – с литий-железо-фосфатными катодами. Они гораздо стабильнее и легко переносят большой разрядный ток, поэтому нашли применение в электроинструментах и электромобилях. С 2003 г. выпускаются батареи, использующие сложный состав катода (LiNiMnCoO2) и обладающие наилучшим сочетанием характеристик среди всех перечисленных. Но по удельной емкости и цене литий-кобальтовые экземпляры пока никому превзойти не удалось, а преимущества новых типов не востребованы в мобильных телефонах и ноутбуках, потребляющих относительно небольшой ток.

Как сохранить неиспользуемую батарею

Если вы временно отложили старый телефон, но хотите сберечь его в рабочем состоянии, – знайте, что лучше всего литий-ионные аккумуляторы хранятся при температуре около +5 °С. Чем она выше и чем ближе степень заряда к 100%, тем быстрее стареет батарея и теряет емкость (см. таблицу 2). Лучше всего зарядить ее до 40–50%, извлечь из аппарата, упаковать в герметичный полиэтиленовый пакет, положить в холодильник (но не в морозильную камеру!) и периодически подзаряжать.

Таблица 2. Деградация характеристик литий-кобальтовых аккумуляторов в связи с температурой хранения и степенью заряда

Температура, °C 40%-ный уровень заряда 100%-ный уровень заряда
0°C 98% через 1 год 94% через 1 год
25°C 96% через 1 год 80% через 1 год
40°C 85% через 1 год 65% через 1 год
60°C 75% через 1 год 60% через 3 месяца

Из всего вышесказанного можно вывести набор простых правил, соблюдение которых поможет продлить срок службы вашего мобильного источника энергии.

Опыт создания батарей на базе литий-ионных аккумуляторов большой ёмкости Текст научной статьи по специальности « Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Груздев А. И.

Рассмотрено современное состояние разработок и области применения литий-ионных аккумуляторов . Показана их конкурентоспособность по сравнению с щелочными и кислотными аккумуляторами. Проанализированы системные подходы и схемо-технические решения, используемые при проектировании аккумуляторных батарей (АБ) большой ёмкости с микропроцессорными системами контроля и управления (СКУ). Рассмотрены основные задачи и функции, выполняемые СКУ. На конкретных примерах обосновано их построение по модульному принципу с 2-3 уровнями управления. Проведен сравнительный анализ вариантов реализации аппаратного нивелирования напряжений в АБ.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Груздев А. И.

Текст научной работы на тему «Опыт создания батарей на базе литий-ионных аккумуляторов большой ёмкости»

УДК 681.58, 621.355

Каждый электрик должен знать:  Регулирование яркости светодиодов

ОПЫТ СОЗДАНИЯ БАТАРЕЙ НА БАЗЕ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ БОЛЬШОЙ ЁМКОСТИ

ОАО «Авиационная электроника и коммуникационные системы», Москва, Россия

E-mail: a_gruzdev@mail.ru Поступила в редакцию 23.06.11 г.

Рассмотрено современное состояние разработок и области применения литий-ионных аккумуляторов. Показана их конкурентоспособность по сравнению с щелочными и кислотными аккумуляторами. Проанализированы системные подходы и схемотехнические решения, используемые при проектировании аккумуляторных батарей (АБ) большой ёмкости с микропроцессорными системами контроля и управления (СКУ). Рассмотрены основные задачи и функции, выполняемые СКУ На конкретных примерах обосновано их построение по модульному принципу с 2-3 уровнями управления. Проведен сравнительный анализ вариантов реализации аппаратного нивелирования напряжений в АБ.

Ключевые слова: аккумуляторная батарея, литий-ионный аккумулятор, система контроля и защиты, устройство нивелирования напряжений, байпасное устройство.

This paper describes the state-of-the-art and areas of application for lithium-ion batteries. Their competitiveness in comparison with conventional alkaline and acid based batteries is shown. System approaches and circuit configurations used for designing high-capacity energy storage batteries with microprocessor battery managemrnt systems (BMS) are considered, including the main functions of BMS. Based on the given examples, the modular design approach of batteries with 2-3 levels of control has been proved. A comparative analysis of different hardware schemes for voltage leveling in storage batteries is carried out.

Key words: the storage battery, the lithium-ion storage cell, the battery management system, the leveling device, the by-pass

За последнее десятилетие в связи с бурным развитием технологий производства литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) значительно расширилась их номенклатура, в том числе аккумуляторов ёмкостью десятки и сотни ампер-часов. Это связано с применением в ЛИА новых электродных материалов вместо традиционных анодных материалов на основе углерода и катодных материалов на базе литированных оксидов Со, Мп, №, а также совершенствованием конструкции и технологии изготовления ЛИА, позволившими обеспечить высокий уровень безопасности даже при их работе в нештатных режимах эксплуатации [1].

Переход на электроды, использующие модифицированные наноразмерные материалы (прежде всего литированный оксид титана и литированный фосфат железа), позволил увеличить ресурс работы ЛИА при глубоких (70-80 %) разрядах до 3000-5000 циклов, а разрядные токи — до 10-20 С и выше. При этом удельная энергия ЛИА с нанотитанатными анодами достигает 80 Вт-ч/кг, а с нанофосфатными катодами — 140 Вт-ч/кг. Новые электроды, наряду с модифицированными электролитами, позволяют эффективно (на 50-80%) разряжать ЛИА при температурах до минус 40°С и ниже. Кроме того, за последние несколько лет благодаря интенсивному росту объёмов производства высокоёмких ЛИА в Китае произошло резкое (в несколько раз) снижение стоимости ЛИА: многие производители предлагают свои ЛИА энергетических серий по цене от 0.5 до 1 $/Вт-ч.

В связи с вышесказанным области применение батарей ЛИА непрерывно расширяются: кроме практически 100%-ного применения в портативных бытовых устройствах связи, фото- и видеотехники они активно вытесняют из традиционных областей мобильных и стационарных применений не только относительно дорогие щелочные (никель-кадмиевые, никель-металлогидридные и др.) аккумуляторы, но и свинцово-кислотные аккумуляторы (СКА) большой ёмкости.

Наиболее активно ЛИА внедряются в объекты специальной и военной техники: космические аппараты, ракетные комплексы, пилотируемую и беспилотную авиацию, необитаемые и обитаемые подводные аппараты, медицинскую технику и др. По мере сближения стоимости герметизированных свинцово-кислотныхилитий-ионныхаккумуляторов последние становятся все более перспективными для различных стационарных применений, в том числе в системах бесперебойного электропитания и солнечно-ветровых энергоустановках. Это связано с тем что:

1) срок службы обычных серий СКА в условиях нерегламентированного графика нагрузки и глубоких разрядов недопустимо мал — не более года;

2) специализированные серии СКА (например, серии Solar) достаточно дороги, но также уступают ЛИА по следующим параметрам:

— удельным энергетическим и мощностным характеристикам (в 3-5 раз);

© ГРУЗДЕВ А. И., 2011

— сроку службы (1.5-2 раза);

— возможности работы при повышенных (более 35-40°С) температурах;

— наличию газовыделения (водород) из электролита при высоких и деградации (сульфатации) электродов при низких потенциалах;

— максимальной величине зарядных токов (в 5-10 раз);

— повышенным требованиям к обеспечению режима заряда и, следовательно, к зарядному устрой-ству, приводящие к его удорожанию (до 1 и более $/Вт);

— КПД цикла заряд/разряд (на 20-30 %).

Высокие технические характеристики ЛИА

позволяют снизить затраты при эксплуатации относительно аккумуляторных батарей (АБ) на базе СКА. Факторы и экспертная оценка дополнительных затрат, связанных с эксплуатацией свинцово-кислотных батарей за 10 лет эксплуатации, приведены в табл. 1 [2]. Оценка проведена на основе анализа эксплуатационных затрат батарей номинальной энергоёмкостью 50 кВт-ч на базеполимер-ных ЛИА ёмкостью 240 А-ч фирмы Kokam и СКА ёмкостью 230 А-ч серии Solar фирмы Exide.

Многообразие областей применения ЛИА определяет не только большую номенклатуру производимых ёмкостей и типоразмеров аккумуляторов, но и широкие диапазоны напряжений (от семи до нескольких сотен вольт) батарей на их основе, необходимые для реализации требуемых мощност-ных, энергетических и эксплуатационных характеристик электрических накопителей. При этом конструктивное исполнение АБ определяется [3]:

1) типом корпуса ЛИА (цилиндр, призма, ламинированная фольга);

2) ее электрическими параметрами (номинальное напряжение, разрядный ток и ёмкость батареи);

3. требованиями по устойчивости к внешним воздействиям, надежности и стоимости изделия, в основном связанными с областью его применения (бытовое, транспортное, промышленное, специальная или военная техника).

При наличии опасных внешних воздействий на АБ ее конструктивное исполнение усложняется, так же как и в случае мощных батарей (особенно для гибридных автомобилей), требующих дополнительного воздушного или жидкостного охлаждения.

При проектировании для всех литий-ионных АБ общими требованиями являются обеспечение безопасности и удобства эксплуатации, а также достижение при циклическом режиме работы полного разряда всех ЛИА, а не работа по графику наиболее слабого элемента. Это достигается введением в состав АБ электронной системы контроля и управления (СКУ), осуществляющей мониторинг состояния и защиту батареи от возникновения опасных режимов работы и предоставляющего пользователю информацию об ее основных параметрах.

Учитывая высокую мощность и большой запас энергии, а также горючесть применяемого в ЛИА электролита, основной задачей всех СКУ можно считать защиту АБ при возникновении опасных режимов работы. К ним, прежде всего, относятся токовые перегрузки и короткое замыкание силовых цепей, перегрев АБ, перезаряд и переразряд ЛИА. Защита от возникновения опасных режимов работы осуществляется путем нивелирования разбаланса напряжений ЛИА и формирования управляющих сигналов для изменения режима работы внешних устройств или для отключения батареи от внешних силовых цепей с помощью коммутационной

Сравнительная оценка эксплуатационных затрат стационарных АБ на базе ЛИА и СКА

Характеристика Аккумулятор Дополнительные расходы для накопителя на базе СКА (% от стоимости батареи)

Массовая энергия, Вт-ч/кг 30 200 Упрочнение несущей конструкции (3-5%)

Объемная энергия, Вт-ч/л 90 360 Стоимость размещения в помещении (25-40 % за 10 лет)

Газовыделение H2 нет Отдельное помещение с вентиляцией (10-20 % за 10 лет)

Рабочие температуры, °С -30^40 -40^60 Кондиционирование помещения (10-20 %) или снижение ресурса при t > 35°С

Ресурс, циклов при DOD=80% 1200 2500 Замена выработавшей ресурс батареи (250-500% за 10 лет при 365 циклах/год)

Ток заряда, С 0.05-0.2 0.5-1 Необходимы сложные дорогостоящие ЗУ (5-10 %) или снижение ресурса

Ток разряда, С 0.1-0.5 1-2 Снижение Сразр относительно Сном (10-20 %)

КПД цикла заряд/разряд, % 60-80 94-96 Снижение Сразр относительно Сзар (5 — 10 %)

аппаратуры, конструктивно размещаемой как в составе АБ, так и вне ее [4].

Для защиты АБ от перезаряда и переразряда СКУ осуществляет измерение напряжения каждого ЛИА в батарее. При этом измерительные цепи всех аккумуляторов должны быть гальванически развязаны и рассчитаны на работу при напряжении, соответствующем максимальному напряжению АБ. Для большинства применений точность измерения напряжения ЛИА должна быть не хуже ±20 мВ. При формировании управляющих сигналов по уровню напряжений ЛИА необходимо учитывать падение напряжения на их внутреннем сопротивлении и температуру аккумулятора.

Поэлементный контроль температуры ЛИА необходим также для защиты АБ от перегрева. В последнее время для этих целей часто применяются датчики температуры с цифровым или аналоговым выходом, относительно простые в использовании и обеспечивающие точность измерения ± (1-2)°С. Терморезисторы или термопары продолжают использоваться для ряда специальных применений, связанных с работой АБ в экстремальных условиях или с ограничениями в использовании импортной элементной базы.

Для измерения тока в АБ наряду с шунтами используются датчики тока холловского типа, широкая номенклатура которых позволяет измерять токи в диапазоне от 10 до 1000 А с точностью порядка ± 2 %. Кроме подсчёта зарядной и разрядной ёмкостей АБ, величина тока необходима для расчёта корректирующих поправок к измеренным значениям напряжения ЛИА. Датчики тока также могут быть использованы для защиты от токовых перегрузок силовых цепей АБ наряду с плавкими вставками или самовосстанавливающими предохранителями, которые защищают АБ только от токов короткого замыкания (КЗ) и не эффективны при относительно небольших (1.5-2-кратных) токовых перегрузках.

Наиболее сложно реализуемой задачей является обеспечение работоспособности АБ при отказах (КЗ или обрыв) внутри ЛИА. Обрыв в ЛИА наиболее опасен при их последовательном соединении в АБ, короткое замыкание — при их параллельном соединении.

Защита от внутренних КЗ в основном строится на уровне ЛИА при их изготовлении:

— сепараторы, плавящиеся при превышении допустимых токов;

— самовосстанавливающиеся температурные предохранители различных типов;

— токопроходы, разрушающиеся при повышении давления внутри аккумулятора, и др.

При параллельном соединении ЛИА дополнительно для защиты от последствий внутренних КЗ последовательно с каждым из них устанавливается плавкая вставка.

Для сохранения работоспособности АБ при отказе одного из ЛИА при их последовательном соединении необходимо вывести его из силовой цепи, одновременно сохранив её целостность. Для этого используются электромеханические или электронные байпасные устройства, которые управляются СКУ Они могут устанавливаться непосредственно на борнах ЛИА для отвода через них выделяющегося в байпасном устройстве тепла (рис. 1) [5].

Рис.1. Электронное байпасное устройство на рабочие токи до 100 А

Важной функцией СКУ является аппаратное выравнивание степени заряженности (нивелирование разбаланса напряжений) единичных аккумуляторов в АБ. Причиной разбаланса напряжений является различие в степени заряженности аккумуляторов, обусловленное различиями в скоростях их саморазряда. Саморазряд обусловлен как токами утечек через внешние и внутренние электрические цепи аккумуляторов, так и электрохимическими процессами, протекающими на их электродах. Следствием разбаланса напряжений является работа батареи по «худшему» (наиболее разряженному) аккумулятору, даже если он имеет наибольшую номинальную ёмкость среди всех аккумуляторов в батарее.

Аппаратные методы нивелирования разбаланса напряжений можно разделить на следующие:

1) наиболее простой в реализации пассивный метод, когда ЛИА с повышенным напряжением разряжается с помощью подключаемого параллельно ему резистора;

2) активные методы, обеспечивающие выравнивание напряжений аккумуляторов путем перераспределение энергии между ними;


3) системные методы, обеспечивающие индивидуальный (независимый) режим заряда для каждого ЛИА.

Наиболее простым, но достаточно эффективным системным методом нивелирования разбалан-

са в АБ большой и сверхбольшой ёмкости является ее заряд многоканальным зарядным устройством. Для низковольтных портативных АБ хорошо зарекомендовали себя схемотехнические решения, обеспечивающие автоматическую перекоммутацию АБ с последовательной схемы на параллельную при подключении к ней специализированного зарядного устройства (рис. 2) [6].

Рис. 2. Аккумуляторная батарея 4ICR-10 с зарядным устройством

В активных выравнивающих устройствах обычно реализуются трансформаторные схемы перераспределения энергии в АБ или используется подзаряд «отстающих» ЛИА от одного или нескольких источников постоянного тока, пита-

ние которых осуществляется с выхода АБ или от внешнего источника энергии (например, зарядного устройства). Такие устройства, обеспечивающие большие выравнивающие токи, позволяют не только нивелировать разбаланс напряжений в АБ, но и обеспечивать ее полный разряд, а не работать по графику худшего ЛИА.

На рис. 3 показан выполненный на отечественной элементной базе трансформаторный блок ТБНН-15А, позволяющий при разбалансе напряжений в 1 В обеспечить перетекающие токи между ЛИА в АБ до 15 А. При испытаниях уже на первом цикле выравнивания он позволил увеличить разрядную емкость разбалансированной АБ с 7.2 до 13.3 А-ч. В последующих (2-5) циклах, несмотря на частичную потерю ЛИА №26 своей ёмкости, он позволил разрядить АБ на 15.3 А-ч, обеспечивая при этом одновременный полный разряд всех ЛИА.

Для удобства эксплуатации АБ информация о ее состоянии может передаваться во внешнюю систему управления по стандартному цифровому каналу, выводиться на дисплей или отображаться с помощью светодиодов, используя интуитивно понятную «светофорную» цветовую символику, индицируя состояние одного из параметров АБ в трех градациях: «Норма», «Предупреждение», «Авария». При необходимости, используя один двухцветный светодиод в режимах постоянного и

Рис. 3. Внешний вид и графики, иллюстрирующие работу трансформаторного блока выравнивания напряжения ТБНН-15А [5]

прерывистого свечений, можно отображать до 10 состояний одного из параметров АБ.

На рис. 4 показан источник бесперебойного электропитания для имплантируемого электромеханического искусственного сердца на базе двух литий-ионных АБ емкостью 10 и 1.5 А-ч, степень заряженности которых индицируется двумя светодиодами, реализующими 6 градаций состояния заряда основной и резервной АБ.

Рис. 4. Источник бесперебойного электропитания на базе основной (14В/10А-ч) и резервной (14В/1,5А-ч) АБ на ЛИА фирмы Кокат

Высоковольтные высокоёмкие АБ строятся по модульному принципу исходя из требований обеспечения электробезопасности при монтаже и ремонте, а также возможности их транспортировки и монтажа с минимальным использованием подъемно-транспортных механизмов. В них используются СКУ также построенные по модульному принципу с 2-3 уровнями управления.

На рис. 5 показана аккумуляторная батарея с номинальным напряжением 115 В на базе 32-х литий-полимерных аккумуляторов фирмы Кокат емкостью 40 А-ч с двухуровневой системой контроля, выравнивания и защиты (СКВЗ) [7]. Измерение напряжения и температуры ЛИА осуществляют два модуля контроля и выравнивания (МКВ), передающих измеренные данные в блок верхнего уровня — модуль управления (МУ). По его командам они также обеспечивают нивелирование разбаланса напряжений в батарее путем подзаряда отстающих ЛИА с помощью 2-х источников тока, питающихся с выхода АБ. В модуль управления также поступает информация с модуля датчика тока, которая используется для расчета зарядной и разрядной ёмкости, а также для защиты АБ от токовых перегрузок.

Защита АБ от опасных режимов работы осуществляется путем формирования предупреждающих и аварийных сигналов (замыкание «сухих» контактов) для внешних устройств (зарядного устройства, нагрузки). Информация об основных параметрах АБ и сформированных МУ аварийных и преду-предительных сигналах выводится на 4-строчный дисплей в модуле индикации. Индицируемые на дисплее параметры изменяются в зависимости от режима работы АБ (см. рис. 5, б).

Рис. 5. Аккумуляторная батарея 32ЛИА40 (а) и блоки ее СКВЗ: модуль индикации (б), модуль управления (в), модуль контроля и выравнивания (г), модуль датчика тока (д)

Архитектура МУ позволяет: осуществлять обмен информацией с внешними устройствами по одному или нескольким стандартным цифровым интерфейсам;

поддерживать работу до 15 модулей нижнего уровня (МКВ).

Учитывая, что МКВ могут контролировать до 16 ЛИА, данная СКВЗ может быть использованы для построения АБ из 240 ЛИА.

Более простой вариант двухуровневой системы контроля и защиты (СКЗ) для высоковольтных АБ с напряжением до 700-800 В (ограничения связаны с величиной напряжения пробоя изоляции использованных источников питания) показан на рис. 6.

Модули нижнего уровня (б) контролируют напряжение и температуру от 8 до 16 ЛИА и осуществляют нивелирование разбаланса напряжений при заряде путем доразряда ЛИА на резисторы. При выходе напряжения или температуры любого ЛИА из поля соответствующего допуска они формируют предупреждающий или аварийный сигналы. Эти сигналы обрабатываются модулем верхнего уровня (в), который, в свою очередь, формирует информационные и управляющие сигналы (через «сухие» контакты) для внешних устройств. Факт формирования информационно-управляющих сигналов в обоих блоках отображается с помощью светодиодов.

При построении мощных энергоёмких накопителей на первый план выходят требования

безопасности при их монтаже, эксплуатации, техническом обслуживании и ремонте. Для резервных АБ важным требованием является длительное сохранение технических характеристик в режиме ожидания подключения к нагрузке, гарантированный переход и обеспечение заданного режима разряда по команде, время поступления которой является неопределенным. Время нахождения батареи в режиме ожидания может быть от нескольких месяцев до десяти и более лет. Высокоэнергоёмкие АБ могут быть построены по последовательно-параллельной или параллельно-последовательной схеме.

Например, разработанная архитектура резервной АБ энергоёмкостью 3 МВт-ч с назначенным сроком службы 15 лет пре-дусматривала ее построение по последовательно-параллельной схеме с разбивкой на несколько (до 48) подсистем (аккумуляторных секций), соединяемых параллельно, которые, в свою очередь, состояли из 15 последовательно соединенных аккумуляторных блоков с напряжением 25 В и ёмкостью 150-200 А-ч (рис. 7) [8].

Заданный срок эксплуатации и бесперебойность работы АБ достигаются:

путем применения комплектующих изделий и материалов с соответствующими сроками службы;

за счёт структурного резервирования в батарее;

за счёт модульного построения батареи и непрерывного мониторинга её состояния, позволяющего проводить необходимые регламе-

Рис. 6. Батарейный модуль (а) и модули СКЗ (б, в) для построения высоковольтной АБ

Рис. 7. Батарейные блоки для построения мегаваттных АБ

Рис. 8. Модуль измерения МИП1 (а) и модуль контроля МКП1 (б) для контроля блока из параллельно соединенных ЛИА

нтные и ремонтно-восстановительные работы на отдельных подсистемах батареи без вывода всей батареи из режима ожидания в кратчайшие сроки.

Алгоритм работы АБ предусматривает перевод с заданной периодичностью части аккумуляторных секций в режим тестирования, в котором они подключаются к одной из штатных нагрузок. В процессе тестирования производится разряд номинальным током в течение 0.5 часа. По величине напряжения на каждом ЛИА в конце разряда делается вывод о снижении их номинальной ёмкости и возможности дальнейшей эксплуатации как отдельных аккумуляторных блоков, так и секции в целом. По результатам тестирования и имеющейся информации о работе аккумуляторной секции в режиме ожидания принимается решение о проведении ремонтно-восстановительных работ на неисправных секциях. Неисправные аккумуляторные секции отключаются от выходных шин батареи. Все исправные аккумуляторные секции по окончании тестирующего разряда подключаются на заряд от внешнего зарядного устройства до напряжения 4.2 В на любом ЛИА. Дальнейший дозаряд для выравнивания напряжений на отдельных ЛИА производится с помощью внутренних устройств подзаряда из состава АБ.

При параллельном соединении ЛИА в силовой цепи каждого из них должен быть предусмотрен элемент защиты от перегрузки по току (например, плавкая вставка), защищающий аккумуляторный блок от короткого замыкания внутри отдельных ЛИА, а СКУ должна обеспечивать контроль их состояния. В ОАО «АВЭКС» для АБ мегаваттного класса разработан модуль измерения МИП1, устанавливаемый непосредственно на борны ЛИА, контролирующий его напряжение, температуру и по последовательному интерфейсу передающий информацию об этих параметрах в модуль контроля МКП, который может обслуживать до 256 модулей МИП (рис. 8) [7].

1. Наиболее перспективным типом электрических накопителей в настоящее время являются литий-ионные аккумуляторные батареи.

2. Сегодня они могут успешно конкурировать не только с щелочными, но и со свинцово-кислотными аккумуляторными батареями в областях их традиционного использования, причем не только по техническим, но и по ценовым параметрам.

3. В ОАО «АВЭКС» накоплен большой практический опыт создания литий-ионных аккумуляторных батарей наземного, морского и

космического применения, а также разработаны высоковольтные батареи мегаваттного класса.

1. Груздев А. И. // Электричество. 2008. № 10. С. 2-13.

2. Груздев А. И. // Альтернативная энергетика и экология. 2008. № 10. С. 116-124.

3. Груздев А. И. Трофименко В. И. // Физические проблемы водородной энергетики : тез. докл. VI рос. конф. СПб., 2010. С. 161-162.

4. Ганзбург. М. Ф., Груздев А. И., Кузовков А. В., Трофименко В. И. // Физические проблемы водородной энергетики : тез. докл. V рос. конф. СПб., 2009. С. 205-206.

5. Ганзбург М. Ф., Груздев А. И., Трофименко В. И. // Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах : материалы XI Междунар. конф. / под ред. М. С. Плешакова. Новочеркасск, 2010. С. 289-293.

6. Груздев А. И., Куликов Н. И. // Мехатроника, автоматизация, управление. 2007. № 8. С. 41-47.

8. Алмазов В. А., Вдовин Н. Н., Груздев А. И., Кочнев А. А. и др. // Электрохим. энергетика. 2005. Т. 5, № 2. С.120 — 122.

Что такое защищенный Li-Ion аккумулятор, и как лишить его защиты

Активные темы (За последние xx минут)
15 минут 30 минут 45 минут
Активные темы (За последние xx часов)
1 час 2 часа 4 часа
6 часов 12 часов 18 часов
Активные темы (За последние xx дней)
1 день 2 дня 3 дня
4 дня 7 дней 14 дней
Темы без ответа
Социальные группы
Главная страница соцгрупп
Все социальные группы
Просмотренные Вами темы (последние 40 действий)
Ссылки сообщества
Участники
Бесплатные розыгрыши призов
Поиск по форуму
Поиск по метке
Расширенный поиск
Найти все сообщения с благодарностями
Поиск через Google
Поиск через Yandex
Розыгрышы призов и игры
Социальные игры
Система: «Бесплатные розыгрыши призов»
К странице.
  • Бесплатные розыгрыши призов
  • Розыгрыши призов в соц. сетях!
  • Для гостей форума
  • О нашем проекте
  • Пожертвования (Donate)
  • Реклама на форуме

На форуме ежемесячно проходят бесплатные розыгрыши призов для зарегистрированных и активно общающихся форумчан. Вы можете выиграть не только различные фонарики, зарядные устройства, аккумуляторы и другие аксессуары известных брендов, а также фонари и компоненты от известных кастомщиков и мелкосерийных производителей, но и другие призы, такие как мультитулы, ножи, рюкзаки и другое снаряжение. Все проходящие розыгрыши призов для форумчан абсолютно бесплатные и призы для розыгрышей предоставляют спонсоры, вам достаточно нажать кнопку «Принять участие» и ждать результата. Форумчане не несут никаких финансовых и имущественных рисков, связанных с участием в данных розыгрышах (т.е. вы ничего не оплачиваете и ни чем не рискуете). С момента начала проведения данных розыгрышей более 100 форумчан стали обладателями весьма неплохих призов и количество победителей продолжает увеличиваться!
В ближайшее время состоятся очередные розыгрыши призов — следите за информацией!

Стр. 1 из 4 1 2 3 Последняя стр.
132137 36 16 7

Нашел на сайте наших друзей http://fonari.in.ua интересную и наглядную статью-инструкцию по удалению платы защиты из аккумулятора. На нашем форуме уже много раз поднимался вопрос о том, что делать, если плата защиты перестала работать и как в этом случае оживить аккумулятор. Я хотел сам фоткать и делать инструкцию, но в данной статье все прекрасно и наглядно изложено и смысла заново пережевывать нет.

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы

Наиболее часто в мобильных устройствах (ноутбуки, мобильные телефоны, портативное освещение) применяют литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы. Это связано с их преимуществами по сравнению с широко использовавшимися ранее никель-металлгидридными (Ni-MH) и никель-кадмиевыми (Ni-Cd) аккумуляторами. У Li-ion аккумуляторов значительно лучшие параметры..

Первичные элементы («батарейки») с литиевым анодом появились в начале 70-х годов 20 века и быстро нашли применение благодаря большой удельной энергии и другим достоинствам. Таким образом, было осуществлено давнее стремление создать химический источник тока с наиболее активным восстановителем — щелочным металлом, что позволило резко повысить как рабочее напряжение аккумулятора, так и его удельную энергию. Если разработка первичных элементов с литиевым анодом увенчалась сравнительно быстрым успехом и такие элементы прочно заняли свое место как источники питания портативной аппаратуры, то создание литиевых аккумуляторов натолкнулось на принципиальные трудности, преодоление которых потребовало более 20 лет.

Характеристики Li-ion аккумуляторов

Современные Li-ion аккумуляторы имеют высокие удельные характеристики: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л. Рабочее напряжение — 3,5-3,7 В.

Современные малогабаритные аккумуляторы работоспособны при токах разряда до 2 С, мощные — до 10-20С. Интервал рабочих температур: от -20 до +60 °С. Однако многие производители уже разработали аккумуляторы, работоспособные при -40 °С. Возможно расширение температурного интервала в область более высоких температур.

Все литиевые аккумуляторы характеризуются достаточно хорошей сохранностью. Саморазряд Li-ion аккумуляторов составляет 4-6 % за первый месяц, затем — существенно меньше: за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Потери емкости у Li-ion аккумуляторов в несколько раз меньше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов, как при 20 °С, так и при 40 °С. Ресурс-500-1000 циклов.

Li-ion аккумуляторы заряжаются в комбинированном режиме: вначале при постоянном токе (в диапазоне от 0,2 С до 1 С) до напряжения 4,1-4,2 В (в зависимости от рекомендаций производителя), далее при постоянном напряжении. Первая стадия заряда может длиться около 40 мин, вторая стадия дольше. Более быстрый заряд может быть достигнут при импульсном режиме.

Li-ion аккумуляторные батареи имеют повышенный срок службы при небольших размерах, малом весе и более высокую по сравнению с батареями других типов энергетическую плотность, что ставит Li-ion батареи вне конкуренции.

К недостаткам Li-ion аккумуляторов следует отнести чувствительность к перезарядам и переразрядам, из-за этого они должны иметь ограничители заряда и разряда.

Устройства защиты Li-ion аккумуляторных батарей

Li-ion аккумуляторные батареи коммерческого назначения имеют наиболее совершенную защиту среди всех типов батарей. Как правило в схеме защиты Li-ion батарей используется ключ на полевом транзисторе, который при достижении на элементе батареи напряжения 4,30 В открывается и тем самым прерывает процесс заряда. Кроме того, имеющийся термопредохранитель при нагреве батареи до 90 °С отсоединяет цепь ее нагрузки, обеспечивая таким образом ее термальную защиту. Есть и схема защиты от глубокого разряда, которая следит за напряжением аккумуляторной батареи и разрывает цепь нагрузки, если напряжение снизится до уровня 2,5 В на элемент.

Защита в типичном цилиндрическом аккумуляторе типоразмера 18650 призвана защитить от перезаряда свыше 4,2В, переразряда ниже 2,75 и короткого замыкания. Эта защита реализована на небольшой плате, расположенной в нижней части батареи, на ее катоде. Иногда эта плата по тем или иным причинам выходит из строя, что не позволяет нормально использовать аккумулятор. В этом случае можно просто удалить ее, превратив аккумулятор в незащищенный.

Под оболочкой мы видим проводник, ведущий от «плюса» к плате защиты

А уже она соединена с «минусом». Таким образом, в случае срабатывания защита разрывает цепь аккумулятора

Отделяем плату защиты. Она подсоединена точечной сваркой:

обрезаем снизу «лишние» пару миллиметров внутренней оболочки

Иногда «голый» аккумулятор после полного удаления защитного контура выглядит вот так:

Теперь возьмем пленку «Oracal». Можно использовать хоть скотч, но пленка должна быть тонкой, износостойкой и неэлектропроводной. Да, и еще желательно красивой 🙂

как например красная

вырезаем нужный кусок и аккуратно оборачиваем аккумулятор пленкой


Получившийся аккумулятор на долю миллиметра меньше стандартной длины.

. и вполне пригоден к эксплуатации, хотя до «обрезания» напряжение было «0»

Так можно дать неисправному аккумулятору вторую жизнь.

18650 аккумуляторы — какие лучше? Описание и отзывы

Все аккумуляторы размера (форм фактора) 18650 имеют свои плюсы и минусы. Поэтому говорить о том, какие аккумуляторы 18650 лучше, сложно. Это, скорее, дело личных предпочтений и требований, которые вы предъявляете к элементу питания. Технические характеристики и особенности аккумулятора зависят от типа используемой химии (электролита).

Защищенные и незащищенные литий-ионные аккумуляторы

Для начала рассмотрим, в чем разница между защищенными и незащищенными аккумуляторами 18650. Какие лучше из данных двух видов, станет ясно после разбора этих терминов. Защищенные (Protected) аккумуляторы – это аккумуляторы с «вшитой» в корпус маленькой платой (контроллером заряда), имеющей при себе три самые необходимые функции: защита от короткого замыкания, защита от глубокого разряда и превышение допустимой силы тока при зарядке. Наряду с защищенными существуют и незащищенные (Unprotected) аккумуляторы без внутренней платы. С такими нужно вести себя очень осторожно, в особенности заставляя их работать с очень низким сопротивлением.

Механическая защита литий-ионных аккумуляторов

Помимо электронной внутренней защиты аккумулятора существует также и система механической защиты без использования платы. Смысл такой защиты сводится к механическому разрыву цепи (срабатыванию механического выключателя) внутри аккумулятора в результате превышения определенного порога внутреннего давления, который, собственно, и приводит к взрыву. Это обесточивает аккумулятор. Если же давление все равно продолжает расти, то происходит автоматическое вскрытие специального клапана, который извлекает электролит наружу. Механический выключатель сам по себе довольно широко распространен как дополнительная мера безопасности во многих аккумуляторах, встраиваемая совместно с контроллером заряда (платой) или без оного. При этом наличие механической защиты может не упоминаться вообще нигде, ни на корпусе, ни в описании технических характеристик в магазине. В данном случае нужно просто понимать, что батарейки с нестабильным химическим составом хороший производитель никогда не оставит без защиты. Даже если официально такой источник питания считается незащищенным, в нем в любом случае будет хоть какая-нибудь механика.

Емкость литий-ионных аккумуляторов

Емкость аккумулятора выражается в миллиамперах в час (mAh или mA*h) и также помогает определить, какой аккумулятор 18650 лучше подойдет для использования на нужном приборе. Чем выше данное значение, тем дольше проработает аккумулятор до полного разряда. Миллиампер в час — это производная величина от «ампер в час» (1 Ah = 1000 mAh), применяемая для аккумуляторов небольшого размера. Не углубляясь в физику, эта величина характеризует потенциальную силу тока аккумулятора, который он должен выдавать в течение одного часа для того, чтобы полностью разрядиться. Разумеется, такой сильный ток он может и не выдать, но по данной величине можно легко судить о его емкости. При помощи нехитрых вычислений можно узнать какой ток будет выдавать элемент питания в течение нескольких часов работы, исходя из равенства — количество ампер в один час. Чем больше значение ампер, тем дольше сможет проработать аккумулятор с одной и той же силой.

Токоотдача литий-ионных аккумуляторов

Токоотдача — это еще один параметр, характеризующий элемент питания. На корпусе аккумулятора токоотдача маркируется силой тока – ампером (A). Чем амперы больше, тем сильнее будет «жарить» аккумулятор. Батарейки с высокими амперами считаются высокотоковыми (High drain). Именно число ампер определяет то, какой высокотоковый аккумулятор 18650 лучше. Однако такие батарейки имеют сравнительно небольшую емкость. Чем ниже сопротивление, с которым должен работать аккумулятор, тем больше тока ему придется отдавать. И предел этой отдачи зависит от описываемого значения.

Закон Ома как метод узнать, какие аккумуляторы 18650 по техническим характеристикам лучше

Зная номинальное напряжение источника питания и сопротивление прибора можно вычислить необходимую токоотдачу, воспользовавшись законом Ома:

I = U/R, где I – сила тока в амперах (A), U – напряжение в вольтах (V), R – сопротивление в омах (Ohm).

То есть нужно разделить напряжение аккумулятора на сопротивление конечного прибора. Используя формулу, можно обезопасить аккумулятор от возможного перегруза в работе, и уж точно от короткого замыкания. Для измерения сопротивления используют омметры. Умение проводить такие несложные вычисления поможет определить, какой аккумулятор 18650 лучше подойдет под использование на конкретном приборе.

Все аккумуляторы форм фактора 18650 имеют номинальное напряжение в 3,7 вольт. Но это значение в большинстве случаев вариабельно и зависит от уровня разряда аккумулятора. Чем больше он разряжен, тем меньше вольт он выдает.

Виды литий-ионных аккумуляторов

Какой аккумулятор 18650 выбрать, и какой лучше — зависит от конкретной ситуации. Знание особенностей различных видов химии поможет разобраться в данном вопросе. Ниже представлены наиболее популярные типы химии аккумуляторов 18650:

  • Литий-кобальтовые – ICR, NCR, LiCoO2 (Lithium Cobalt Oxide).
  • Литий-марганцевые – IMR, INR, NMC, LiMnO2, LiMn2O4, LiNiMnCoO2 (Lithium Manganese Oxide).
  • Литий-железо-фосфатные (феррофосфатные) – LFP, IFR, LiFePO4 (Lithium Iron Phosphate).

Перечисленные виды аккумуляторов являются разновидностями литий-ионных аккумуляторов, то есть сделанных по литий-ионной технологии.

Данная ниже информация с описаниями типов химии поможет определить, какой литий-ионный аккумулятор 18650 лучше.

Старение, хранение и диапазон рабочих температур литий-ионных аккумуляторов

Всем литий-ионным источникам питания свойственно старение. При этом неважно, используются ли они вообще. Считается, что после нескольких лет от даты производства при любом раскладе их можно смело выбрасывать. Каждый год батарейка теряет примерно 10 % от номинальной емкости, поэтому рекомендуется перед покупкой узнавать дату ее производства. Наряду со старением, у литиевых аккумуляторов есть еще один небольшой минус – их нельзя долго хранить в разряженном состоянии, это может их испортить. На батарейки также влияет и температура окружающей среды. У литий-ионных элементов диапазон рабочих температур сравнительно низкий – от -20 градусов до +20 градусов Цельсия. Это значит, что использование или зарядка их в условиях, близких к обозначенным границам, будет отрицательно сказываться на электролите.

Литий-кобальтовые аккумуляторы

Литий-кобальтовые аккумуляторы характеризуются самыми высокими показателями в емкости. Литий-кобальтовая химия очень нестабильна, поэтому использовать ее нужно осторожно. Нельзя допускать возможности быстрой зарядки при использовании метода ускоренного или дельта V заряда. При такой зарядке более стабильный аккумулятор может полностью зарядиться в течение одного часа. Литий-кобальтовый же заряжать таким способом опасно. Также нельзя использовать литий-кобальтовый аккумулятор с такой нагрузкой, при которой он может разрядиться меньше, чем за 30 минут. Для батарейки с данной химией без защиты и то и другое приведет к воспламенению электролита.

Химия на основе литий-кобальтовой технологии сыскала большую популярность среди аккумуляторов 18650 для электронных сигарет. Какого лучше производителя аккумуляторов данной категории выбрать, рекомендуется смотреть в отзывах. Ввиду определенной нестабильности такие аккумуляторы надо выбирать осторожно.

Пороговым значением на заряд литий-кобальтового аккумулятора является граница в 4,2 вольта. Выскакивание напряжения аккумулятора выше данной границы будет означать перезаряд, допускать который крайне не рекомендуется. Использование слишком мощных зарядных устройств пагубно влияет на литий-кобальтовую химию. Это портит батарейку и одновременно повышает риск воспламенения и взрыва электролита. Лучше всего использовать продвинутые зарядные устройства с возможностью регулировки подаваемой силы тока и применения разных настроек для зарядки. Наилучшим методом зарядки здесь будет алгоритм CC/CV – постоянный ток, постоянное напряжение (Constant current/constant voltage).

На кобальтовые батарейки плохо сказывается не только перезаряд, но и переразряд. Пиковым порогом на разряд является граница в 3 вольта. Если продолжать работать на кобальте после достижения такого напряжения батарейки, то это будет портить ее, увеличивая риск воспламенения. В идеале нужно прекращать работу на кобальте после 3,5 вольт. Отношение к литий-кобальтовой химии должно быть наиболее бережным. Перезаряд, переразряд, излишне низкий ом на разрядке, физические повреждения будут способствовать ухудшению химии, которое в конечном итоге приведет к взрыву. В случаях с очень высоким током на заряд и очень низким сопротивлением он может произойти сразу. Никель-кобальтовая химия очень токсична. При возгорании она выделяет очень вредные для здоровья газы, вдыхание которых может привести к летальному исходу.

Литий-марганцевые аккумуляторы

Литий-марганцевые аккумуляторы являются наиболее популярными, в первую очередь за счет стабильности своей химии при практически аналогичных кобальтовым аккумуляторам свойствам. Поэтому на многие марганцевые батарейки не ставится контроллер заряда и при этом производители гордо вешают на них флажок «безопасные».

Марганцевые аккумуляторы способны долго и спокойно работать в нагрузку (с очень низким омом). Это, конечно, в любом случае не хорошо, но в отличие от кобальтовых элементов, марганцевые прослужат в этом случае гораздо дольше. Марганцевые элементы имеют хороший баланс емкости и силы, однако проигрывают кобальтовым в емкости. Предосторожности при зарядке IMR аккумуляторов почти такие же, как и у кобальтовых. Максимальная граница — 4,2 вольта. Использование больших токов на заряд не взорвет электролит, но сильно его подпортит. И это, конечно же, зависит от силы подаваемого тока. Чем он сильнее, тем быстрее произойдет зарядка, но тем хуже будет для химии. Рекомендуемый метод зарядки — CC/CV. Еще один плюс марганцевых элементов в том, что они способны выдержать глубокий разряд в 2,5 вольт. Как бы там ни было, не стоит часто доводить марганцевый аккумулятор до такого состояния.

Данный тип электролита также характеризуется отсутствием взрывного эффекта. Это связано с использованием графита в качестве материала для анода. При критическом нарушении условий эксплуатации (очень низкое сопротивление или очень высокий ток на заряд) даже на аккумуляторе без защиты будет выделяться газ, но воспламенения или взрыва не произойдет.

В целом за счет своих усредненных показателей литий-марганцевые аккумуляторы 18650 по характеристикам лучше. Какие именно аккумуляторы данной категории выбрать, следует смотреть в отзывах отдельно по каждой из фирм изготовителей.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы

Литий-железо-фосфатные (феррофосфатные) являются самыми безопасными из семейства литий-ионных аккумуляторов. Это их основное отличие. Стабильность химии LFP батареек даже лучше, чем у марганцевых. Это связано с использованием железо-фосфатного катода, который обладает отличной термоустойчивостью и отсутствием токсичности. Почти все железо-фосфатные батарейки не оснащаются контроллером заряда, а чтобы довести их до взрыва или возгорания без физических повреждений, нужно сильно постараться. Они хорошо переносят разные злоупотребления в работе, например, очень низкое сопротивление.

Феррофосфатные элементы имеют самый высокий срок службы (2000 циклов заряд-разряд) среди литий-ионных. Из минусов – низкая емкость, примерно на 50 % ниже, чем у кобальтовых, и примерно на 15 % ниже, чем у марганцевых аккумуляторов. Еще одна особенность этих батареек – стабильность напряжения при использовании, которое колеблется возле границы в 3,2 вольта вплоть до разряда. Это свойство дает феррофосфатным батарейкам больше преимуществ для использовании их в последовательном соединении (если аккумуляторы собираются в цепь, то есть в аккумуляторную батарею). Железо-фосфатные аккумуляторы имеют токоотдачу ниже, чем у своих собратьев по химии, однако среди них можно встретить и высотоковые. Железо-фосфатные аккумуляторы стареют чуть медленнее, чем другие литий-ионные батарейки, но, как и вышеописанные, их нельзя хранить разряженными.

В поисках информации о том, какой аккумулятор 18650 лучше для фонаря или радиоуправляемой модели, рекомендуют остановить свой выбор именно на аккумуляторах с данной химией. Ввиду вышеописанных свойств они отлично подойдут для применения их в батареях данных приборов.

Химия данных источников питания позволяет спокойно заряжать их при помощи ускоренного метода. Феррофосфатные батарейки очень устойчивы к перезаряду. Что же касается разряда, то его максимально допустимая граница равна 2 вольтам. Ближе к концу работы устойчивое напряжение аккумулятора будет резко снижаться. Частый разряд ниже этой границы будет быстро портить батарейку.

В завершение

На этом описание маркировок аккумуляторов, тхнических характеристик 18650, какие лучше из них, и разных типов химии мы закончим. Надеемся, что данная информация поможет определить, какой аккумулятор подходит для конкретного прибора. Данные здесь рекомендации и характеристика даны в весьма сжатой форме. Аккумуляторам посвящены целые форумы, сайты и даже книги. Наиболее полную информацию о них не уложить в одну статью. Мы уже не говорим о том, что для их изучения необходимо знать множество специальных терминов и электрохимию в целом.

Насколько безопасны литиевые аккумуляторы?

Литиевые аккумуляторы – всего лишь накопители энергии. Но после оглушительного провала Samsung Note 7 и не менее громкого случая возгорания электромобиля Tesla возникает вопрос: а насколько они вообще безопасны?

Североамериканская пресса обожает Илона Маска и с наслаждением смакует успешные проекты его компаний Tesla и SpaceX. Не обделяют вниманием журналисты и сенсационные неудачи, которые их преследуют. Так, новость о том, что в начале ноября в Индианаполисе взорвался электрокар Tesla Model S, разнеслась по медиаканалам с быстротой молнии.

Размашистые заголовки внушали, что самоуправляемая техника стоила человеческих жизней, как в случае с ДТП во Флориде, когда включенный автопилот не сработал.

Не меньшее внимание привлек Samsung Galaxy Note 7, получивший печальную славу вскоре после старта продаж благодаря многочисленным инцидентам с самовозгоранием. Производителю не удалось решить проблему с аккумулятором, поэтому пришлось отозвать фаблет из продажи, когда взрываться стали даже устройства, предназначенные для замены.

Тем не менее, ни один из этих случаев не должен стать причиной всеобщей боязни литий-ионных аккумуляторов. По крайней мере, так считает доктор Вернер Тильметц, профессор Центра по исследованиям в области солнечной и водородной энергетики в Ульме, Германия. По его словам, случай с Samsung, в частности, показывает, что требования производителей смартфонов довели развитие технологии производства аккумуляторов до некоторых пределов.

Для достижения оптимальной плотности мощности и энергии производители уменьшают толщину полимерного сепаратора, отделяющего положительные и отрицательные электроды аккумулятора. Толщина сепаратора аккумуляторов, произведенных по технологиям нынешнего поколения, составляет всего несколько микрометров, но этот слой должен надежно изолировать компоненты аккумулятора друг от друга.

«Электрокары не более пожароопасны, чем автомобили на бензине»: профессор, доктор Вернер Тильметц, Центр по исследованиям в области солнечной и водородной энергетики

Нарушение технологии производства, например, деформация слоя, не обязательно приводит к дефекту, который может обнаружить контроль качества, зато через некоторое время может стать причиной короткого замыкания внутри ячейки.

Проблема заключается в том, что, как выражается профессор Тильметц, электрохимические ячейки «дышат», — изменение структуры кристалла во время зарядки слегка их растягивает, а при разрядке они снова сжимаются. Такая механическая нагрузка в процессе эксплуатации может полностью разорвать сепаратор, если он был ранее поврежден.

Короткие замыкания внутри ячеек приводят к возникновению очень высоких токов и перегреву. Температура становится критичной при 200-220° C. При таких температурах повышается давление, которое приводит к разрушению ячейки; электролит, которым залита ячейка, начинает вступать в реакции, выделяя летучие вещества.

Примерно при 220° C разлагается материал электродов, в результате реакции выделяется водород, который воспламеняет искра, превращая в язык пламени. Конечно, такие повреждения аккумуляторов опасны, но Тильметц ссылается на статистику: проблема коснулась только каждое 40 000-е устройство из целых двух миллионов выпущенных устройств Galaxy Note 7.

Автомобили на бензине горят чаще

К сожалению, причиной несчастного случая в Индианаполисе стало совсем другое. Тогда в результате возгорания машины погибли два человека, однако аккумулятор оказался ни при чем. Электрокар на высокой скорости мчался по городу, водитель не справился с управлением и врезался в дерево. По свидетельству одного из очевидцев, сразу вслед за этим последовал мощный взрыв. Пожарные справились с огнем только через четверть часа — к тому времени спасать людей было уже поздно.

Тильметц считает очень маловероятной версию крупномасштабного взрыва аккумулятора электромобиля. Судя по опубликованной видеозаписи одного из участвовавших в спасении пожарных, дело происходило следующим образом: из-за сильного нагрева отдельные ячейки поврежденного аккумулятора Tesla начали разрываться одна за другой и искрить, после чего их выбросило в воздух. Тем не менее, по интенсивности взрыв напоминает эффект не столько разорвавшейся бомбы, сколько пиротехнической шашки.

Если в аккумуляторе между ячейками не предусмотрена хорошая изоляция, загоревшаяся и разорвавшаяся ячейка нагревает соседнюю — запускается цепная реакция, так называемый тепловой разгон, который вызывает еще больший скачок температуры, но происходит это, по словам профессора, не взрывообразно, а в течение нескольких минут. В конце концов, во всех известных случаях возгорания электрокаров Tesla все происходило таким образом, что водитель мог без особых затруднений остановить машину и выйти.

И снова Тильметц ссылается на статистику, на этот раз по электромобилям. Возгорание традиционных автомобилей в результате ДТП или ввиду наличия дефектов происходит довольно часто. В Германии, например, ежегодно фиксируется несколько тысяч подобных случаев. На вопрос, является ли электромобиль более пожароопасным, чем автомобиль на горючем, у Тильметца есть четкий ответ: «Нет». Наоборот, вероятность взрыва бензина из-за большого количества энергии даже выше: 50 литров топлива — это, как минимум, 450 кВт⋅ч энергии, а аккумулятор Tesla отдает всего 100 кВт⋅ч.

Аккумуляторы будущего

Литий-ионный аккумулятор сохраняет свою элетроэнергию в литии. При зарядке анода атомы лития сохраняются между слоями графита. При разрядке они отдают электроны и перемещаются в виде ионов лития в слоистую структуру катода (кобальтит лития). Однако после нескольких циклов зарядки-разрядки графитовый слой разрывается. Возможно, скоро графит в таких аккумуляторах заменят на другие материалы: читайте подробнее в нашей статье: «Аккумуляторы нового поколения».

Литий-ионный аккумулятор. Общая информация .

Опции темы
Поиск по теме
Отображение
  • Линейный вид
  • Комбинированный вид
  • Древовидный вид

Часто читаю про литиевые аккумуляторы откровенную ерунду. ИХБИНО не есть спец по аккумуляторам, ровно так же, как и не физик, и не химик. И все же позволю представить на паблике некоторую информацию. Постараюсь быть кратким: общую информацию, широко представленную в интернете, в т.ч Википедии, дублировать, не буду.
а)Вполне понятно, что материал, представлен в том объеме, который представляет интерес именно пользователям данного Форума.
б)Вполне понятно, что каждый раздел – это отдельная огромная тема.
в)Материал общепознавательный, рассчитанный на пересиченого вайпера, очень далекого от фундаментальных дисциплин, а ПАТАМУ позволил много примитивизации.
г)Термин «литий» или аббревиатура «ЛИА» – подразумевает литий-ионный аккумулятор.

1.Аккумуляторы . Очень общая информация.
1.Химический источник электрического тока – это гальванический элемент (Луиджи Гальвани 1791 год), т.е. устройство, в котором :
— возникает разность потенциалов при контакте разных видов металлов (электроды – анод (+), катод (-), гальваническая пара) вследствие того, что металлы имеют разные электрохимические потенциалы (электрохимический ряд);
-возникает электрический ток при погружении гальванической пары в электролит, вследствие наличия разницы потенциалов и окислительно-восстановительной реакции (анод – окисление, разрушение; катод – восстановление).

2.Следует различать часто употребляемые термины «первичные источники» и «вторичные источники».
Первичный химический источник тока – устройство, вырабатывающие электрический ток за счёт энергии электрохимических реакций однократно, т.е. это просто «батарейки». На сегодня существуют батарейки с возможностью подзарядки, однако, данные устройства дороже + требуют специального подзарядного устройства + количество циклов подзарядки крайне мало ( от 3 до 10 циклов).
Вторичный химический источник тока – устройство, допускающее многократное использование энергии электрохимических реакций, т.е. это просто «аккумулятор».

3.Если вышеизложенное принимается, становится понятным, что аккумулятор не является источником «неограниченной мощности»: генератора нет, есть только конкретные сильноогранченные «внутренние ресурсы». Количество энергии четко определяется максимальной разницей электрохимических потенциалов «ингредиентов»; площадью, на которой происходит эл.-хим. реакция и её скоростью. Т.е. конкретный аккумулятор имеет конкретный объем энергии, по науке – «максимально возможный полезный заряд» или » зарядную ёмкость» или просто «ёмкость», которая для наших скромных запросов обозначается латинской буквой С и выражается в миллиАмпер*часах (реже Ампер*часах) – мАч (Ач), mAh (Ah), часто на форумах – мах (рус.).
Если проще: каждому конкретному геометрическому размеру аккумулятора соответствует максимально возможная емкость (объем энергии).
Из форумной практики пользователей цилиндрических ЛИА (диаметр ХХ – мм; длина ХХХ/10 мм) реальные емкости :
-10 440 – 400 mAh;
-14 500 – 900 mAh;
-16 340 / 16 350 – 650 mAh;
-18 350 – 900 mAh;
-18 650 – 3000 mAh;
-26 650 – 4800 mAh;
-32 650 – 6000 mAh.
UPD 2015г. — http://ekurilka.ua/showthread.php/36. =1#post240004:
18 650 — 3600 mAh — Panasonic NCR18650G
26 650 — 5200 mAh .

ГЫ-ГЫ 1: По принципу работы с учетом электрохимической природы процесса литий-ионный аккумулятор – это есть химический источник тока. А это означает , что в процессе работы напряжение меняется в диапазоне 4,2 – 2,7 В, а ток – практически константа и определяется химической способностью аккумулятора. С точки зрения классической электротехники литиевый аккумулятор – это источник напряжения, т.к. внутреннее сопротивление литиевого аккумулятора крайне мало (до 100 миллиом) ….

2.Емкость аккумулятора.
Ох, не ФСЕ так просто с емкостью литиевых аккумуляторов .

-Паспортная емкость лития (то, что в даташите или на акке) – это номинальная емкость (ГОСТ Р МЭК 61960-2007), определяемая в лабораторных условиях при разряде аккумулятора током I=0,2С при температуре 20 град.Ц. до установленного значения конечного напряжения. По такой же методе определяется емкость аккумуляторов такими брэндами как Сони, Панасоник, Саньо, Самсунг, что имеет отражение в дата-шитах аккумуляторов.

Следует понимать, все паспортные характеристики (в т.ч. и по циклам заряда-разряда) также подразумевают разряд током 0,2С.

-Факт — емкость лития зависит от тока разряда (чем выше ток, тем меньше емкость) и от температуры лития (чем ниже температура, тем ниже емкость; для некоторых типов ЛИА имеет место значительное снижение емкости при повышении температуры).

Что еще не радует – это зависимость не только емкости, но и напряжения! от тока разряда: чем больше ток, тем ниже фактическое напряжение, что очень часто называется «просадка». Просадка – термин народный, сильнофилософский. В электротехнике различают потерю напряжения, падение напряжения и отклонение напряжения. В нашем случае имеет место потеря напряжения, обусловленная внутренним сопротивлением аккумулятора. Закон Ома актуальности не теряет, просто формулы несколько отличаются от школьного курса физики U=I*R как-то так U=E*R/(Rвн+R). Впрочем, и это весьма упрощенно, т.к. в реальности необходимо рассматривать полное внутреннее сопротивление (импеданс) с учетом активной и реактивной составляющей…

-Говоря о реальной емкости, необходимо учитывать, что даже при неиспользовании акка, она снижается, хотим мы этого или нет. Например , 100% заряженный аккумулятор при комнатной температуре в год теряет 20% емкости. Поэтому , аккумуляторы для длительного хранения заряжают 40-70 %. При этом потеря емкости за год 4%. При длительном хранении рекомендована подзарядка до 70% — 1 раз в 6 месяцев.

-Говоря о реальной емкости , следует понимать, что при работе «ингредиенты» аккумулятора вырабатываются (народный термин «старение лития»). Это приводит к снижению реальной емкости аккумулятора, т.е. каждый аккумулятор имеет конкретный срок жизни, что имеет отражение в даташитах «Количество циклов заряд-разряд» . Опять же напомню, что паспортные данные приводятся для тока разряда 0,2С. Реально – чем жестче эксплуатация лития: чем больше ток разряда (чем ниже сопротивление нагрузки), чем меньше период между зарядкой аккумулятора, тем быстрее снижается паспортная емкость.

-Некоторые гальванические пары позволяют создавать литиевые аккумуляторы с неприлично большими емкостями, например для цилиндрического формата 14500 – 1800 мах, для 18650 – 4200 мах, для 34650 – 19000мах. Это имеет место быть для литий-тионилхлоридных (Li/SOCl2) аккумуляторов. Однако, данный вид аккумуляторов характеризуется малыми токами разряда. Такие акки для безопасной работы имеют встроенный терморезистор, и очень малые рабочие токи. Данный вид аккумуляторов подразделяется на группы «Энергосберегающие аккумуляторы» – максимальный ток разряда ER18505 A 3500мах — 100мА; ER34615 D 19000мах — 230 мА; «Высокомощные аккумуляторы» — максимальный ток разряда ER18505M A 3000мах – 600 мА; ER34615M D 14500мах – 2000мА (2А).

-Сильно и быстро снизить емкость аккумулятора, т.е «убить» литий, очень просто большими токами заряда (на литий-ферофофат LiFe почти не распространяется). Токи заряда определяются производителем, указываются в даташите. Обычно нормальный ток заряда 0,5С.

ГЫ-ГЫ 2 (из личного): Ограниченный электрохимический ресурс определяет, что при непрерывном режиме «быстрый разряд лития токами до 2С – заряд – быстрый разряд …» время работы аккумулятора очень сокращается. Т.е. , если попробовать непрерывно парить акк 18350 в течении дня – при первой зарядке время непрерывного парения 40 мин, после 5-ой зарядки – в лучшем случае 20 мин. После небольшого «отдыха» (сутки) – длительность работы восстанавливается.


ГЫ-ГЫ 3 (из форумного) : Пока лично не столкнулся с литий-тионилхлоридом писал на Форуме бред про «восстановленный литий».

3. Разряд – заряд аккумулятора.
Разряд ЛИА. Ток разряда аккумулятора часто путают с разрядным током. Разрядный ток определяется разрядной способностью аккумулятора и сопротивлением нагрузки , превышающей внутреннее сопротивление акка. Понятно, что при низком внутреннем сопротивлении такие токи могут достигать десятков и даже сотен ампер. Однако, данный параметр носит оценочный характер , т.к. разрядный ток не является рабочим . Тем не менее корявый перевод часто приводит к путанице с этими терминами и появлению сказок о литиевых аккумуляторах.
Ток разряда аккумулятора определяется заводом-изготовителем и указывается в даташите на изделие (акк).. Как правило указывается номинальный ток разряда и максимальный ток разряда. Величина тока чаще указывается в Амперах, реже — кратность к емкости (1С, 2С).
При номинальном токе — изготовителем гарантируются паспортные характеристики и гарантийные обязательства, т.к. именно это является стандартным рабочим режимом. Максимальный ток – это кратковременной режим, который не является нормальным рабочим режимом, изготовитель ничего не гарантирует .
Для лития разряд «в ноль» («глубокий разряд») смерти подобно, т.к. утрачивается зарядная способность, причем необратимо. Поэтому изготовитель всегда указывает минимальное напряжение для ЛИА, а устройства защиты контролируют этот параметр. В нашем случае Umin=2,7В. Частый разряд ЛИА ниже установленного значения очень снижает емкость и сокращает срок службы акка. Для любителей неиспользования устройств контроля напряжения нужно понимать, что напряжение на нагрузке даже на качественном литии всегда ниже, чем напряжение акка без нагрузки, а большой ток разряда вполне реально при Umin ниже 2,7В (см. пункт 2).

Заряд ЛИА. Заряд 2-этапный (2-стадийный) по алгоритму «постоянный ток — постоянное напряжение» CC-CV, т.е. первоначально осуществляется заряд постоянным током до момента достижения конечного напряжения на аккумуляторе (например, 4.2 В), а затем при постоянном напряжении до момента уменьшения тока до величины, равной 0,05С. После этого заряд полностью прекращается. Правильная зарядка для лития очень важно, т.к. большие токи снижают емкость, а перезвряд по напряжению (свыше 4,3 В) не только снижает емкость, но чревато взрывом или возгоранием акка.

4. Материалы.
Изначально (1978г. начало промышленного производства литиевых батарей) в конструкции литиевых химических источников тока применялся металлический литий. Такие «конструкции» получили название – «литиевый» (lithium battery) . Большое количество недостатков литиевых аккумуляторов (главные — высокая пожаро-взрывоопасность, малое количество циклов «заряд-разряд») привело к замене металлического лития композитными материалами на основе лития и его оксидов, которые вследствие электрохимических процессов в аккумуляторе вырабатывают ионы лития. Промышленное производство таких батарей — 1991 г. Сони. Именно с этого периода времени стал широко применятся термин «литий-ионный» (Li-ion), который акцентирует то, что используется не чистый металлический литий, а ионы лития.
Состав материалов гальванической пары «анод-катод» называется «электрохимическая схема аккумулятора». Сегодня таких схем масса, т.к. тема альтернативных источников энергии (в т.ч. для автотранспорта) сверхактуальная. Каждая схема характеризуется конкретными параметрами по напряжению (Uмах – максимальное, Uн – номинальное, Umin – минимальное) и рабочему току (Ip). Наиболее распространенные (в т.ч. и в нашем «парном» деле):
Литий-кобальт – наиболее распространенная и обширная (LiCoO2; LiCo1/3 Ni1/3 Mn1/3 O2 ; Li(LiaNixMnyCoz)O2 ; …) – Uмах=4,2В; Uн=3,7В; Umin=2,7В; Ip=1,5С. Взрыво-пожароопасен. Окиды кобальта токсичны.
Литий-никель – (LiNiO2) — Uмах=4,1В; Uн=3,5В; Umin=2,7В; Ip=1,2С. Взрыво-пожароопасен.
Литий-марганец — (LiMn2O4) — Uмах=4,2В; Uн=3,7В; Umin=2,7В; Ip=5С. Пониженная взрыво-пожароопасность. Меньшая емкость сравнительно с литий-кобальтом в том же объеме.
Литий-железофосфат – (LiFePO4) — Uмах=3,7В; Uн=3,3В; Umin=1,6В; Ip=20С. Очень низкая взрыво-пожароопасность.

ГЫ-ГЫ 4: Следует понимать, что все акки по перечисленным схемам являются литий-ионными аккумуляторами. Точно так же как и ранее упомянутый литий-тионилхлорид (Li/SOCl2).

ГЫ-ГЫ 5: Литий-железофосфатные акк, часто LiFe – требует специального зарядного устройства. На Форуме есть вайпер, который давно и успешно пользуется LiFe.

5.Конструкция , форм-фактор. Литий-полимер.
Конструктивно литий-ионный аккумулятор состоит из электродов (анод – катод), подключенных к контактным площадкам «+», «-«. Электроды разделены пористым сепаратором, пропитанным электролитом. В последнее время широко применяются сепараторы с пассивной защитой.
Если вместо электролита используется гелеобразный полимер , такие аккумуляторы относят к литий-полимерным аккумуляторам (Li-pol или Li-polymer). Электрохимическая схема аккумулятора разообразная, т.к. данный тип с точки зрения электрохимии есть обычный литий-ионный аккумулятор. Поэтому, если мы имеем литий-полимер тионилхлорид – мы имеем большую емкость и никакие токи разряда; если литий-полимер железофосфат – мы имеем супер-токи. Литий-полимер имеет преимущество в том, что позволяет изготовить аккумулятор сложной формы (часто форма разрабатывается под конкретное устройство), а так же эти аккумуляторы более компактны. Однако, памятуя о том, что любой литий – это объект повышенной опасности, следует понимать, что данный тип еще более опасный, т.к. для малых габаритов применяется упрощенная конструкция сепаратора без пассивной защиты. «Популярность» литий-полимера обусловлена мобильными телефонами и прочими бытовыми электронными гаджетами. В последнее время с этих акков надпись Li-pol или Li-polymer исчезла, пишут просто литий-ион Li-ion.

Конструктивно литиевые аккумуляторы бывают : корпусные (частая смена) и безкорпусные (встраиваемые – редкая замена). Безкорпусные аккумуляторы имеют название у ряда производителей – «battery in soft package» (батарея в мягкой упаковке).

По форм-фактору литий-ионные аккумуляторы выпускаются : цилиндрический (габариты – диаметр х длина); призматический (габариты – ширина х высота х толщина); «таблетки» «Button Cell» (габариты – диаметр х толщина).

6.Опасность, безопасность, защита.
Литий-ионные аккумуляторы относятся к устройствам повышенной взрыво-пожароопасности. Причины :
1)В малом (часто герметическом) объеме происходят химические (электрохимическая реакция) и физические (элетрический ток) процессы, которые сопровождаются значительным выделением тепла и водорода.
2)Сильный и быстрый нагрев в малом объеме приводит к закипанию электролита, что сопровождается образованием газовой смеси с высоким давлением. Это приводит к взрыву. Продукты , образующиеся при работе лития пожароопасны . Поэтому, часто после взрыва (чаще «пшика») возможно загорание этих веществ при контакте с кислородом. Даже очень безопасный с химической точки зрения ферофосфат (масса фото работы акка , полностью погруженного в воду), имеет очень большие токи разряда, а при коротком замыкании токи могут достигать сотен Ампер, что также приводит к резкому росту температуры, со всеми вытекающими негативами.
Большинство производителей лития определяют максимально допустимую температуру ЛИА до 60 град.Ц.

Указанные факторы определяют необходимость применения специальных устройств защиты. Правильная эксплуатация любых литиевых аккумуляторов без этих устройств – не допускается.

Электронная защита «digital protection» обеспечивает защиту от :
-токов короткого замыкания;
-ограничение тока разряда, согласно указанного производителем (отключение при сопротивлении нагрузки 2,1 – 1,8 Ома);
-защиту от пере-заряда\разряда аккумулятора.
Для встраиваемых аккумуляторов, для литий-полимера и для составных аккумуляторов (несколько элементов) обязательным является защита по температуре . Данная защита может являться самостоятельным электронным блоком, встраиваемым в аккумулятор или располагаемым на его поверхности или может входить в состав девайса, на котором используется аккумулятор.

Пассивная защита обеспечивает защиту от перегрева аккумулятора путем использования многослойных сепараторов, где один из слоев выполнен из полимера, который плавится при температуре 120 град. Ц, останавливая электрохимическую реакцию.

Механическая защита (патент AW производителя AW-IMR ) обеспечивает защиту путем механического разрыва электрической цепи при повышении температуры свыше 60 град.Ц. Если увеличение давления продолжается — открывается специальный клапан, выпускающий газы и электролит наружу, предотвращая взрыв.

Химическая защита – ведутся разработки, направленные на использование электрохимических схем, прекращающих работу при резком повышении температуры выше допустимого значения .

7.Маркировка.
Важный момент. Согласно нормативам МЭК (Международная электротехническая комиссия) IEC 61960:2003, для СНГ – ГОСТ Р МЭК 61960-2007 установлен конкретный и обязательный регламент маркировки ЛИА. Данная информация позволяет легко и просто определить с каким именно литием мы имеем дело.

Увы, данное требование японскими и китайскими производителями не соблюдается и реально понять, что именно за литий даже из даташита такого брэнда как Саньо невозможно.

8.Составной аккумулятор .
ЛИА можно собирать в сборки для получения определенных параметров .
Можно подключать последовательно (1s, 2s, 3s и т.д), например сборка 3s (Рис. 1).
При таком подключении общая емкость равняется емкости одного элемента, т.е. С=const, напряжение равняется сумме напряжений 3-х акков , т.е.U=ΣUi.

Можно подключать параллельно (1р, 2р, 3р ит.д.), например сборка 3р (Рис. 2).
При таком подключении общая емкость равняется сумме емкости всех элементов, т.е. С=ΣСi, напряжение равняется напряженю 1-го акка , т.е.U=const.

Можно подключать смешано , т.е. последовательно-параллельно , например подключение 3s-2р (Рис. 3). Составные аккумуляторы требуют применения специальных балансировочных устройств для «правильного» заряда батареи.

ГЫ-ГЫ 6: При соединении аккумуляторов в сборку (батарею) пытаться использовать «разнополые» акки — плохая мысль. Аккумуляторы следует использовать идентичные ( тип, электрохимическая схема, емкость, и т.д. и т.п.).

9.Сказки про литий.
Об этом бы не писал, но иногда наталкиваюсь на такие «рекомендации» для литий-ионных аккумуляторов даже на серьезных сайтах.
1)Эффект памяти – отсутствует, следовательно периодический полный разряд лития перед зарядкой не нужен.
2)Тренировать или разгонять литий – не имеет никакого смысла.
3)Заряд не менее 8 часов (особенно первый раз) – глупость.
4)Восстановление лития – сказка, если литий «умер» – это навсегда: в настоящее время, методов восстановления литий-ионных аккумуляторов не существует.

ПИ СИ 1. Писал слету по памяти, т.е. очень быстро. Возможны ошибки, возможны неточности . Буду признателен за исправления/дополнения.
ПИ СИ 2. ФОТО кликабельны.

Последний раз редактировалось ukraibnets; 31.01.2015 в 00:56 .

Немного теории о Li-Ion аккумуляторах

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы.*

Наиболее часто в мобильных устройствах (ноутбуки, мобильные телефоны, КПК и другие) применяют литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы. Это связано с их преимуществами по сравнению с широко использовавшимися ранее никель-металлгидридными (Ni-MH) и никель-кадмиевыми (Ni-Cd) аккумуляторами.

У Li-ion аккумуляторов значительно лучшие параметры.
Первичные элементы («батарейки») с литиевым анодом появились в начале 70-х годов 20 века и быстро нашли применение благодаря большой удельной энергии и другим достоинствам. Таким образом, было осуществлено давнее стремление создать химический источник тока с наиболее активным восстановителем — щелочным металлом, что позволило резко повысить как рабочее напряжение аккумулятора, так и его удельную энергию. Если разработка первичных элементов с литиевым анодом увенчалась сравнительно быстрым успехом и такие элементы прочно заняли свое место как источники питания портативной аппаратуры, то создание литиевых аккумуляторов натолкнулось на принципиальные трудности, преодоление которых потребовало более 20 лет.

После множества испытаний в течение 1980-х годов выяснилось, что проблема литиевых аккумуляторов закручена вокруг литиевых электродов. Точнее, вокруг активности лития: процессы, происходившие при эксплуатации, в конце концов, приводили к бурной реакция, получившей название «вентиляция с выбросом пламени». В 1991 г. на заводы-изготовители было отозвано большое количество литиевых аккумуляторных батарей, которые впервые использовали в качестве источника питания мобильных телефонов. Причина — при разговоре, когда потребляемый ток максимален, из аккумуляторной батареи происходил выброс пламени, обжигавший лицо пользователю мобильного телефона.

Из-за свойственной металлическому литию нестабильности, особенно в процессе заряда, исследования сдвинулись в область создания аккумулятора без применения Li, но с использованием его ионов. Хотя литий-ионные аккумуляторы обеспечивают незначительно меньшую энергетическую плотность, чем литиевые аккумуляторы, тем не менее Li-ion аккумуляторы безопасны при обеспечении правильных режимов заряда и разряда.

Химические процессы Li-ion аккумуляторов.

Революцию в развитии перезаряжаемых литиевых аккумуляторов произвело сообщение о том, что в Японии разработаны аккумуляторы с отрицательным электродом из углеродных материалов. Углерод оказался весьма удобной матрицей для интеркаляции лития.
Для того чтобы напряжение аккумулятора было достаточно большим, японские исследователи использовали в качестве активного материала положительного электрода оксиды кобальта. Литерованный оксид кобальта имеет потенциал около 4 В относительно литиевого электрода, поэтому рабочее напряжение Li-ion аккумулятора имеет характерное значение 3 В и выше.

При разряде Li-ion аккумулятора происходят деинтеркаляция лития из углеродного материала (на отрицательном электроде) и интеркаляция лития в оксид (на положительном электроде). При заряде аккумулятора процессы идут в обратном направлении. Следовательно, во всей системе отсутствует металлический (нуль-валентный) литий, а процессы разряда и заряда сводятся к переносу ионов лития с одного электрода на другой. Поэтому такие аккумуляторы получили название «литий-ионных», или аккумуляторов типа кресла-качалки.

Процессы на отрицательном электроде Li-ion аккумулятора.

Во всех Li-ion аккумуляторах, доведенных до коммерциализации, отрицательный электрод изготавливается из углеродных материалов. Интеркаляция лития в углеродные материалы представляет собой сложный процесс, механизм и кинетика которого в существенной степени зависят от природы углеродного материала и природы электролита.

Углеродная матрица, применяемая в качестве анода, может иметь упорядоченную слоистую структуру, как у природного или синтетического графита, неупорядоченную аморфную или частично упорядоченную (кокс, пиролизный или мезофазный углерод, сажа и др.). Ионы лития при внедрении раздвигают слои углеродной матрицы и располагаются между ними, образуя интеркалаты разнообразных структур. Удельный объем углеродных материалов в процессе интеркаляции-деинтеркаляции ионов лития меняется незначительно.
Кроме углеродных материалов в качестве матрицы отрицательного электрода изучаются структуры на основе олова, серебра и их сплавов, сульфиды олова, фосфориды кобальта, композиты углерода с наночастицами кремния.

Процессы на положительном электроде Li-ion аккумулятора.

Если в первичных литиевых элементах применяются разнообразные активные материалы для положительного электрода, то в литиевых аккумуляторах выбор материала положительного электрода ограничен. Положительные электроды литий-ионных аккумуляторов создаются исключительно из литированных оксидов кобальта или никеля и из литий-марганцевых шпинелей.

В настоящее время в качестве катодных материалов все чаще применяются материалы на основе смешанных оксидов или фосфатов. Показано, что с катодами из смешанных оксидов достигаются наилучшие характеристики аккумулятора. Осваиваются и технологии покрытий поверхности катодов тонкодисперсными оксидами.

Конструкция Li-ion аккумуляторов

Конструктивно Li-ion аккумуляторы, как и щелочные (Ni-Cd, Ni-MH), производятся в цилиндрическом и призматическом вариантах. В цилиндрических аккумуляторах свернутый в виде рулона пакет электродов и сепаратора помешен в стальной или алюминиевый корпус, с которым соединен отрицательный электрод. Положительный полюс аккумулятора выведен через изолятор на крышку (рис. 1). Призматические аккумуляторы производятся складыванием прямоугольных пластин друг на друга. Призматические аккумуляторы обеспечивают более плотную упаковку в аккумуляторной батарее, но в них труднее, чем в цилиндрических, поддерживать сжимающие усилия на электроды. В некоторых призматических аккумуляторах применяется рулонная сборка пакета электродов, который скручивается в эллиптическую спираль (рис. 2). Это позволяет объединить достоинства двух описанных выше модификаций конструкции.

Некоторые конструктивные меры обычно предпринимаются и для предупреждения быстрого разогрева и обеспечения безопасности работы Li-ion аккумуляторов. Под крышкой аккумулятора имеется устройство, реагирующее на положительный температурный коэффициент увеличением сопротивления, и другое, которое разрывает электрическую связь между катодом и положительной клеммой при повышении давления газов внутри аккумулятора выше допустимого предела.

Для повышения безопасности эксплуатации Li-ion аккумуляторов в составе батареи обязательно применяется также и внешняя электронная защита, цель которой не допустить возможность перезаряда и переразряда каждого аккумулятора, короткого замыкания и чрезмерного разогрева.
Большинство Li-ion аккумуляторов изготавливают в призматических вариантах, поскольку основное назначение Li-ion аккумуляторов — обеспечение работы сотовых телефонов и ноутбуков. Как правило, конструкции призматических аккумуляторов не унифицированы и большинство фирм-производителей сотовых телефонов, ноутбуков и т.д.. не допускают применение в устройствах аккумуляторов посторонних фирм.

Характеристики Li-ion аккумуляторов.

Современные Li-ion аккумуляторы имеют высокие удельные характеристики: 100-180 Втч/кг и 250-400 Втч/л. Рабочее напряжение — 3,5-3,7 В.
Если еще несколько лет назад разработчики считали достижимой емкость Li-ion аккумуляторов не выше нескольких ампер-часов, то сейчас большинство причин, ограничивающих увеличение емкости, преодолено и многие производители стали выпускать аккумуляторы емкостью в сотни ампер-часов.
Современные малогабаритные аккумуляторы работоспособны при токах разряда до 2 С, мощные — до 10-20С. Интервал рабочих температур: от -20 до +60 °С. Однако многие производители уже разработали аккумуляторы, работоспособные при -40 °С. Возможно расширение температурного интервала в область более высоких температур.
Саморазряд Li-ion аккумуляторов составляет 4-6 % за первый месяц, затем — существенно меньше: за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости. Потери емкости у Li-ion аккумуляторов в несколько раз меньше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов, как при 20 °С, так и при 40 °С. Ресурс-500-1000 циклов.

Заряд Li-ion аккумуляторов.

Li-ion аккумуляторы заряжаются в комбинированном режиме: вначале при постоянном токе (в диапазоне от 0,2 С до 1 С) до напряжения 4,1-4,2 В (в зависимости от рекомендаций производителя), далее при постоянном напряжении. Первая стадия заряда может длиться около 40 мин, вторая стадия дольше. Более быстрый заряд может быть достигнут при импульсном режиме.
В начальный период, когда только появились Li-ion аккумуляторные батареи, использующие графитовую систему, требовалось ограничение напряжения заряда из расчета 4,1 В на элемент. Хотя использование более высокого напряжения позволяет повысить энергетическую плотность, окислительные реакции, происходившие в элементах такого типа при напряжениях, превышающих порог 4,1 В, приводили к сокращению их срока службы. Со временем этот недостаток ликвидировали за счет применения химических добавок, и в настоящее время Li-ion элементы можно заряжать до напряжения 4,20 В. Допустимое отклонение напряжения составляет лишь около ±0,05 В на элемент.
Li-ion аккумуляторные батареи промышленного и военного назначения должны иметь больший срок службы, чем батареи для коммерческого использования. Поэтому для них пороговое напряжение конца заряда составляет 3,90 В на элемент. Хотя энергетическая плотность (кВтч/кг) у таких батарей ниже, повышенный срок службы при небольших размерах, малом весе и более высокая по сравнению с батареями других типов энергетическая плотность ставят Li-ion батареи вне конкуренции.
При заряде Li-ion аккумуляторных батарей током 1С время заряда составляет 2-3 ч. Li-ion батарея достигает состояния полного заряда, когда напряжение на ней становится равным напряжению отсечки, а ток при этом значительно уменьшается и составляет примерно 3% от начального тока заряда (рис.3).

Если на рис.3 изображен типовой график заряда одного из типов Li-ion аккумуляторов, то на рис.4 процесс заряда показан более наглядно. При повышении тока заряда Li-ion батареи время заряда сколько-нибудь значимо не сокращается. Хотя при более высоком токе заряда напряжение на батарее нарастает быстрее, этап подзарядки после завершения первого этапа цикла заряда продолжается дольше.
В некоторых типах зарядных устройств для заряда литий-ионной аккумуляторной батареи требуется время 1 ч и менее. В таких зарядных устройствах этап 2 исключен, и батарея переходит в состояние готовности сразу после окончания этапа 1. В этой точке Li-ion батарея будет заряжена приблизительно на 70 %, и после этого возможна дополнительная подзарядка.

  • ЭТАП 1 — Через аккумулятор протекает максимально допустимый ток заряда, пока напряжение на нем не достигнет порогового значения.
  • ЭТАП 2 — Максимальное напряжение на аккумуляторе достигнуто, ток заряда постепенно снижается до тех пор пока он полностью не зарядится. Момент завершения заряда наступает когда величина тока заряда снизится до значения 3% от начального.
  • ЭТАП 3 — Периодический компенсирующий заряд, проводящийся при хранения аккумулятора, ориентировочно через каждые 500 часов хранения.
Сохранность Li-ion аккумуляторов.

Все литиевые аккумуляторы характеризуются достаточно хорошей сохранностью. Потеря емкости за счет саморазряда 5-10 % в год.
Приводимые показатели следует рассматривать как некоторые номинальные ориентиры. Для каждого конкретного аккумулятора, например, разрядное напряжение зависит от тока разряда, уровня разряженности, температуры; ресурс зависит от режимов (токов) разряда и заряда, температуры, глубины разряда; диапазон рабочих температур зависит от уровня выработки ресурса, допустимых рабочих напряжений и т.д.
К недостаткам Li-ion аккумуляторов следует отнести чувствительность к перезарядам и переразрядам, из-за этого они должны иметь ограничители заряда и разряда.
Типичный вид разрядных характеристик Li-ion аккумуляторов изображен на рис. 5 и 6. Из рисунков видно, что с ростом тока разряда разрядная емкость аккумулятора снижается незначительно, но уменьшается рабочее напряжение. Такой же эффект появляется при разряде при температуре ниже 10 °С. Кроме этого, при низких температурах имеет место начальная просадка напряжения.

Что касается эксплуатации Li-ion аккумуляторов вообще, то, учитывая все конструктивные и химические способы защиты аккумуляторов от перегрева и уже устоявшееся представление о необходимости внешней электронной защиты аккумуляторов от перезаряда и переразряда, можно считать проблему безопасности эксплуатации Li-ion аккумуляторов решенной. А новые катодные материалы часто обеспечивают еще большую термическую стабильность Li-ion аккумуляторов.

Безопасность Li-ion аккумуляторов.

При разработке литиевых и литий-ионных аккумуляторов, как и при разработке первичных литиевых элементов, вопросам безопасности хранения и использования уделялось особое внимание. Все аккумуляторы имеют защиту от внутренних коротких замыканий (а в отдельных случаях — и от внешних коротких замыканий). Эффективным способом такой защиты является применение двухслойного сепаратора, один из слоев которого изготавливается не из полипропилена, а из материала, аналогичного полиэтилену. В случаи короткого замыкания (например, из-за прорастания дендритов лития к положительному электроду) за счет локального разогрева этот слой сепаратора подплавляется и становится непроницаемым, предотвращая, таким образом, дальнейшее прорастание дендритов.

Устройства защиты Li-ion аккумуляторных батарей.

Li-ion аккумуляторные батареи коммерческого назначения имеют наиболее совершенную защиту среди всех типов батарей. Как правило в схеме защиты Li-ion батарей используется ключ на полевом транзисторе, который при достижении на элементе батареи напряжения 4,30 В открывается и тем самым прерывает процесс заряда. Кроме того, имеющийся термопредохранитель при нагреве батареи до 90 °С отсоединяет цепь ее нагрузки, обеспечивая таким образом ее термальную защиту. Но и это не все. Некоторые аккумуляторы имеют выключатель, который срабатывает при достижении порогового уровня давления внутри корпуса, равного 1034 кПа (10,5 кг/м2), и разрывает цепь нагрузки. Есть и схема защиты от глубокого разряда, которая следит за напряжением аккумуляторной батареи и разрывает цепь нагрузки, если напряжение снизится до уровня 2,5 В на элемент.
Внутреннее сопротивление схемы защиты аккумуляторной батареи мобильного телефона во включенном состоянии составляет 0,05-0,1 Ом. Конструктивно она состоит из двух ключей, соединенных последовательно. Один из них срабатывает при достижении верхнего, а другой — нижнего порога напряжения на батарее. Общее сопротивление этих ключей фактически создает удвоение ее внутреннего сопротивления, особенно если батарея состоит всего лишь из одного аккумулятора. Батареи питания мобильных телефонов должны обеспечивать большие токи нагрузки, что возможно при максимально низком внутреннем сопротивлении батареи. Таким образом, схема защиты представляет собой препятствие, ограничивающее рабочий ток Li-ion батареи.
В некоторых типах Li-ion батарей, использующих в своем химическом составе марганец и состоящих из 1-2 элементов, схема защиты не применяется. Вместо этого в них установлен всего лишь один предохранитель. И такие батареи являются безопасными из-за их малых габаритов и небольшой емкости. Кроме того, марганец довольно терпим к нарушениям правил эксплуатации Li-ion батареи. Отсутствие схемы защиты уменьшает стоимость Li-ion батареи, но привносит новые проблемы.
В частности, пользователи мобильных телефонов могут использовать для подзарядки их батарей нештатные зарядные устройства. При использовании недорогих зарядных устройств, предназначенных для подзарядки от сети или от бортовой сети автомобиля, можно быть уверенным, что при наличии в батарее схемы защиты, она отключит ее при достижении напряжения конца заряда. Если же схема защиты отсутствует, произойдет перезаряд батареи и, как следствие, ее необратимый выход из строя. Этот процесс обычно сопровождается повышенным нагревом и раздутием корпуса батареи.

Механизмы, приводящие к уменьшению емкости Li-ion аккумуляторов

При циклировании Li-ion аккумуляторов среди возможных механизмов снижения емкости наиболее часто рассматриваются следующие:
— разрушение кристаллической структуры катодного материала (особенно LiMn2O4);
— расслоение графита;
— наращивание пассивирующей пленки на обоих электродах, что приводит к снижению активной поверхности электродов и блокированию мелких пор;
— осаждение металлического лития;
— механические изменения структуры электрода в результате объемных колебаний активного материала при циклировании.
Исследователи расходятся во мнении, какой из электродов претерпевает большие изменения при циклировании. Это зависит как от природы выбранных электродных материалов, так и от их чистоты. Поэтому для Li-ion аккумуляторов удается описать только качественно изменение их электрических и эксплуатационных параметров в процессе эксплуатации.
Обычно ресурс коммерческих Li-ion аккумуляторов до понижения разрядной емкости на 20 % составляет 500-1000 циклов, но он значительно зависит от величины предельного зарядного напряжения (рис.7). С уменьшением глубины циклирования ресурс повышается. Наблюдаемое повышение срока службы связывают с уменьшением механических напряжений, вызываемых, изменениями объема электродов внедрения, которые зависят от степени их заряженности.

Повышение температуры эксплуатации (в пределах рабочего интервал) может увеличить скорость побочных процессов, затрагивающих границу раздела электрод-электролит, и несколько повысить скорость уменьшения разрядной емкости с циклами.

Заключение.

В результате поисков наилучшего материала для катода современные Li-ion аккумуляторы превращаются в целое семейство химических источников тока, заметно различающихся друг от друга как энергоемкостью, так и параметрами режимов заряда/разряда. Это, в свою очередь, требует существенного увеличения интеллектуальности схем контроля, которые к настоящему времени стали неотъемлемой частью аккумуляторных батарей и питаемых устройств — в противном случае возможно повреждение (в том числе необратимое) как батарей, так и устройств. Задача усложняется еще и тем, что разработчики стараются максимально полно использовать энергию аккумуляторов, добиваясь повышения времени автономной работы при минимально занимаемом источником питания объеме и весе. Это позволяет достигнуть существенных конкурентных преимуществ. По мнению Д. Хикока, вице-президента Texas Instruments по силовым компонентам мобильных систем, при использовании катодов из новых материалов разработчики аккумуляторов далеко не сразу достигают тех же конструкционных и эксплуатационных характеристик, что и в случае с более традиционными катодами. В итоге новые аккумуляторы часто имеют значительные ограничения диапазона условий эксплуатации. Мало того, в последнее время на рынок помимо традиционных производителей аккумуляторных ячеек и батарей — Sanyo, Panasonic и Sony — очень активно пробиваются новые производители, по большей части из Китая. В отличие от традиционных производителей, они поставляют продукцию с существенно большим разбросом параметров в пределах одной технологии или даже одной партии. Это связано с их желанием конкурировать в основном за счет низкой цены продукции, что часто приводит к экономии на соблюдении требований технологического процесса.
Итак, в настоящее время существенно возрастает важность информации, предоставляемой т.н. «умными аккумуляторами»: идентификация аккумулятора, температура аккумулятора, остаточный заряд и допустимое перенапряжение. По словам Хикока, если разработчики готовых устройств будут конструировать подсистему питания, учитывающую как условия эксплуатации, так и параметры ячеек, это позволит нивелировать различия в параметрах аккумуляторов и повысить степень свободы для конечных пользователей, что предоставит им возможность выбирать не только рекомендуемые производителем устройства, но и аккумуляторы других компаний.

xommep

xommep

Не так давно обнаружил на старости лет, что литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы — это, оказывается, разные вещи (хотя и родственные). В ходе разбирательства выяснил несколько интересных фактов; и, как обычно, оформлю всё это в техническую статейку — авось кому пригодится.

Степень технической грамотности российского обывателя по части бытовых аккумуляторов весьма низка. Например, поймал себя на мысли, что слово «батарейка» у меня давно не ассоциируется с гальваническими источниками тока; для меня это всегда == аккумулятор; к слову сказать, в английском слово battery подразумевает и то и другое. Тем не менее, для широчайших масс населения батарейка = «пальчики», «мизинчики» и прочие одноразовые элементы питания. Батарейки в обывательском понимании этого слова действительно служат дольше и надёжнее аналогичных аккумуляторов; зачем платить больше, если можно вставить батарейку и забыть; а аккумуляторы стоят в разы дороже; по крайней мере, здесь у нас, в краях де-индустриализации. Если же пользоваться электроприборами достаточно часто и вне дома, то аккумуляторы сэкономят и деньги и нервы; в случае севшей батарейки заменить её обычно нечем, а аккумуляторы подразумевают наличие некоторого набора сменных элементов, находящихся на зарядке. Я уж не говорю за экологию — один аккумулятор заменит сразу несколько батареек, а вред природе от него как от одной, а то и меньше.

Итак. Речь в статье пойдёт именно про аккумуляторы, т.е. перезаряжаемые источники тока. Наиболее известны обывателю заменители тех же «пальчиков» и «мизинчиков», т.е. элементов АА и ААА, аккумуляторы для бытовой техники на основе никель-кадмиевых или никель-металгидридных элементов. Эти технологии (также родственные) многим хороши, но, к сожалению, когда речь идёт за аккумуляторы, всегда половина информации будет про недостатки. У «никелевых» батареечек их сразу несколько (это, увы, касается любой современной технологии); из которых наиболее очевидный — саморазряд; если оставить такой аккумулятор относительно надолго в «заряженном» состоянии, то в ответственный момент может оказаться, что он разряжен. Для бытовых нужд это самая большая засада — такие аккумуляторы нужно регулярно перезаряжать, в отличие от «классических» батареек, которые могут валяться и ничего им не будет годами. Также у них не такой уж большой срок службы, и довольно низкое напряжение; что для некоторых целей является критическим.

Довольно часто даже в бытовой технике требуется определённое напряжение — например, пульту ДУ достаточно 1В для работы, а вот мобильной акустической системе уже нужно 6-9В. В таком случае применяется т.н. многобаночный аккумулятор, то есть последовательное подключение элементов; принцип работы авто-аккумулятора (свинцового типа) можно почитать тут.

Подключение 4 «АА»-элементов последовательно даст итоговое напряжение в 4.8В.

Соответственно, дабы получить высокое напряжение, нужно подключать больше и больше элементов питания. Для ходового в авиа-моделизме напряжения в 12В в случае «никелевых» элементов нужно десять последовательных «банок», т.е элементов питания. При этом проблемы одной из «банок» будут отражаться на всей сборке, и чем больше «банок», тем в общем случае хуже.

В общем, уже давным-давно де-фактом стандартом питания для бытовой техники и гаджетов стали литий-ионные аккумуляторы, и их «родня» — литий-полимерные элементы, «липошки» (от сокращения Li-Po). Именно такие элементы стоят в смартфонах, ноутбуках, на них работают мобильные инструменты типа шуруповёртов, а также практически все летающие и ползающие дроны также питаются от этого вида аккумуляторов.

По сравнению с другими типами элементов «литиевые» отличаются меньшей массой, большей токоотдачей, относительно высоким рабочим напряжением (до 4.35В), малым саморазрядом и прочая. Благодаря этому значительная часть бытовой техники в Китае переходит с «пальчиковых» батареечек на формат элементов 18650. Это типоразмер, в котором может быть заключены очень разные элементы питания, сильно разнящиеся по всем электрическим параметрам; поэтому именно про них в основном сегодня и поговорим. Сама по себе эта тарабарщина из цифр означает ширину и длину элемента — 18мм*65мм; существует масса других форм-факторов элементов питания, среди которых далеко не все являются литий-ионными. Но если говорить за формат 18650, то он заполнен только ли-ион-элементами; и сейчас является одним из самых распространённых форматов аккумуляторов в мире.

Сравнение размеров ААА, АА и 18650

Важнейшим отличием 18650 от АА и ААА является не размер, а технология, которая меняет все электрические характеристики. Если попытаться по-простому затолкать 18650 туда, где используется АА и ААА, то возможно всё, вплоть до взрывов и пожаров; так что применять их нужно по назначению; либо же думать головой. Основное очевидное отличие от «пальчиков»-«мизинчиков» — в увеличенном втрое напряжении; АА и ААА выдают по 1.25В максимум, 18650 в зависимости от технологии может дать и 4.35В. Их можно использовать как заменители АА и ААА в бытовой технике, но с умом.

Для разбавления скучных фактов приведу пример, для кого-то может оказаться неожиданным — как минимум часть (а возможно и все) «инновационных» автомобилей Тесла ездят на батареях, составленных из. 18650.

Все т.н. «повербанки» (powerbank), мобильные аккумуляторы, тоже собираются на основе 18650; причём на али можно найти комплекты для сборки «батарейки» любой мощности, в зависимости от количества элементов; и качество этих элементов вы можете задавать сами, а не покупать кота в мешке, чем мы все занимаемся, покупая готовые сборки. 99% функционала таких аккумуляторов зависит от применяемых элементов; а сами корпуса и необходимая электроника, как можно видеть, стоит копейки.

На сегодняшний день элементы 18650 имеют максимальное напряжение 4.1В-4.35В (в зависимости от технологии, нужно уточнять), и максимальную ёмкость в 3400мА/ч. Последнее особенно важно — китайские производители любят написать на своих элементах мега-цифры, которые впоследствии, разумеется, не подтверждаются.

Производят 18650 в Южной Корее, Японии и Китае; причём моду задают японцы и корейцы. Китайцы быстро учатся, но пока что их творения в основном заключаются в разной степени удачности клонах корейских и японских элементов.

К чему это я. В отличие от более-менее стабильного рынка элементов АА и ААА, на поле 18650 творится разброд и шатание; технология литий-ионных элементов ещё не «устаканилась», и постоянно выходят новые модификации элементов, отличающиеся по «химии», т.е. базовой технологии производства. Это-то и приводит к тому, что один тип ли-ион элементов может выдавать напряжение в 4.1В, а другой — в 4.35В; а это означает, что их надо по-разному заряжать и разряжать. И да, для зарядки литий-ионных и ли-поли-элементов и аккумуляторов нужны свои зарядки; причём, желательно, «интеллектуальные» — т.е. с возможностями управления и мультиметра.

И вот теперь переходим к недостаткам данной технологии. Их у неё немало. В частности, литий-ионные элементы небезопасны, особенно при зарядке; перезарядка свыше номинала, а также перегрев или понижение давления в самолёте может привести к их возгоранию (ранние типы даже взрывались); вот тут хладный сказ от техноблогера, которого регулярно смотрю. Осторожный обыватель может возопить, что, дескать, не будут использовать 18650 никогда-никогда; но, граждане и старушки, в ваших телефонах, планшетах, плеерах и ноутбуках используются те же самые элементы; причём в ноутбуках так и вовсе используется ровно то же многобаночное подключение элементов 18650, что и в вышеприведённом примере. И в некоторых планшетах, если не изменяет склероз, тоже.

У литий-ионных и литий-полимерных элементов есть рабочий диапазон напряжения, за пределы которых выходить практически нельзя; это приведёт либо к выходу элементов из строя, либо к ещё более печальным событиям, описанным выше. Элементы с номинальным напряжением 3.6В имеют диапазон от 2.6 до 4.1В; для 3.7В — от 2.7 до 4.2В, для 3.8В — от 2.9В до 4.35В. Узнавать параметры элемента лучше всего не по рекламным надписям, а по т.н. даташиту (datasheet); эта информация распространяется производителями или собирается экспертами; для каждого типа можно найти в интернете самостоятельно. Крайне полезно знакомиться с даташитом перед покупкой — если там написано, например, что вес элемента — 45г, а у продавца указано 40 или меньше, это вопрос — не дурят ли нашего брата.

Как и на любом «диком» рынке, на поляне 18650 полно мошенников, и надо быть осторожным — особенно при любимых многими покупках в китайских онлайн-магазинах. Хотя большинство из них применяют защиту покупателя, и в случае откровенного брака, скорее всего, вернут вам деньги, всё равно велик риск получить не то, что нужно, и при этом потерять кучу времени. Например, на том же Али очень много китайских копий известных марок батареек (да, как уже говорил, есть и «бренды» среди 18650); далеко не всегда это откровенный обман, но, скорее всего, они будут отличаться от оригиналов не только по ёмкости, но также и по токоотдаче, весу, а, возможно, и по внутреннему сопротивлению (что приведёт к «просадке» напряжения под нагрузкой, но об этом — в конце статьи).

Тем не менее, если подходить с умом, то использование 18650 может вас здорово выручить. Например, те же мобильные аккумуляторы — если нет нужды прямо здесь и сейчас — покупать в сборе имхо нездоровый фанатизм; заказываете нужный корпус и нужное число элементов нужного объёма, и вуаля — готова сборка конкретно под вас; обычно ничего паять не нужно, просто собрал и включил. И в случае выхода батарейки (повербанки) из строя разбираем и смотрим, кто там сдох — ишак или падишах. К тому же, можно докидывать батареечки в сборку при долгих поездках.

Если заморочиться, то есть метод получения 18650 практически задаром — разборкой «сдохших» аккумуляторов от ноутбуков. Проверил этот метод — действительно, работает; мне достался аккумулятор от ноутбука Sony, с соответствующей маркировкой на батарее, а внутре оказались подписанные как попало элементы 18650, обнаружить datasheet от которых не удалось; правда, батарее уже много лет. Все они оказались рабочими, с одним важным «но» — внутреннее сопротивление всех шести элементиков выше 100мОм, что весьма много. Метод добычи элементиков из ноутбуков — весьма время-затратный, и рекомендовать его я не буду; он подойдёт только для энтузиастов.

Как достать и восстановить элементы 18650 из батареи ноутбука

Для повседневного же использования лучше покупать новые элементики питания; во многом из-за следующего недостатка ли-ион технологии — старения. Технологии изготовления ли-ион-элементов первого поколения приводили к постоянному эффекту потери 10% ёмкости элементика в год; причём неважно, хранится ли он на складе или пашет под нагрузкой. В современные элементы при изготовлении добавляют консерванты, которые позволяют хранить их до первого использования практически без потери ёмкости; несколько циклов заряд-разряд разрушают консервант, и начинается «штатное» старение. Но надо быть готовым к тому, что считать возраст батарейки придётся от даты производства, а не от начала использования. Что же касается батареек из ноутов, можно прикинуть, сколько они потеряли от номинала.

Теперь наконец расскажу немного про литий-полимерные батареечки и элементики. Их основное отличие — в использовании полимера вместо гелевого (т.е. жидкостного) электролита. Технология ли-по-элементов ещё более новая, чем литий-ионная, и в ней нет такого разнообразия, поэтому практически все «липошки» обладают номинальным напряжением 3.7В и рабочим диапазоном от 3 до 4.2 В. Ли-по батареечки обладают чуть меньшим весом, чем ли-ион, и обладают потенциально бОльшей токоотдачей; за что очень любимы авиамоделистами, которым необходимы лёгкие и мощные аккумуляторы. Все Фантомы, Хабсаны, Валкиры и прочая летают именно на таких аккумуляторах.

Аккумуляторы обладают такой важной характеристикой, как токоотдача; ток нагрузки, измеряемый в С, т.е. ёмкости аккумулятора в ампер-часах; на сборках обычно пишут ёмкость в милли-ампер-часах (мА/ч), нужно умножать это число на 1000. Например, аккумулятор в 1000 мАч и токоотдачей 1С выдаст тока в 1000/1000*1 = 1А. Ходовой аккумулятор для дроноводов в 5200мА/ч и с токоотдачей 20С выдаст, соответственно, 5.2*20 = 104А. И здесь порылось куда больше собак, чем хотелось бы — поскольку измерить объём достаточно просто, а вот токоотдачу проверить уже сложнее; и в итоге производители пишут на аккумуляторах, что им взбредёт в голову. А без нужной токоотдачи крокодил не ловится, не растёт кокос — не будет нужной мощности. И любимый шуроповёрт не сможет провернуть саморез, а дрон вместо бреющего полёта будет натужно махать крыльями на взлётке.

Теперь — про неожиданное. Особо не разобрался, в чём тут дело, но для достижения высокой токоотдачи аккумуляторы делают тяжёлыми (возможно, увеличивается контакт с электролитом?), т.е. в пределах одной массы токоотдача разменивается на ёмкость. И большинство литий-полимер аккумуляторов обладает высоким С — для успешного примерения в токоёмких устройствах, таких как дроны. Для гоночных аппаратов важнее мощность, а не объём — они из-за своей мощности утащат что угодно; но вот для летающих камер это совсем не так. А в последнее время мы с коллегой по хобби занялись темой долголётов, и для них это ровно наоборот; токоотдача нужна весьма небольшая, главное — объём аккумулятора. И подобрать нужные ли-поли-аккумуляторы оказалось сложнее, чем. собрать из 18650, что та Тесла.

Как собрать батарею самому; один из многих примеров

При логическом взгляде на первый взгляд это казалось ересью — каждый 18650 содержит собственную защитную оболочку, которая немало весит; как тут соревноваться с готовыми сборками на ли-по. Но собственная практика показала, что эта схема вполне работает. Всё-таки размен токоотдачи на объём в случае авиамодельных ли-по-сборок слишком велик. Возможно, где-то можно найти низкотоковые сборки; не видел.

Как уже говорил выше, в аккумуляторе всё зависит от используемых элементов; в случае ли-по мы гарантированно покупаем кота в мешке (каламбурчик), и должны верить производителю на слово; в случае сборки из 18650 можно покурить даташиты и определить, что нужно лично вам. Пока я думал и прикидывал шансы, коллега Фёдор уже нахватил каких попало батареек на Али, что привело к ожидаемому фейлу (суть — после 5 минут) — полётное время на сборке 6s3p составило. 25 секунд; правда, возможно, ещё пошаманим и чего-нибудь придумаем и с этой сборкой.

Поэтому решил особо не выпендриваться, и рассматривал для тестов популярные варианты, используемые в авиамоделизме — Samsung NCR (с максимальным подтверждённым объёмом на сей момент — 3400 мА/ч), либо же LG HG2; объёмом поменьше, но с повышенной до 30А токоотдачей. В итоге всё же взял HG2, на Али; и был до последнего момента в неуверенности; батарейки пришли вовремя, похожие на оригинал, заряд берут честно, в 3000 mAh и даже больше; но вот засада — внутреннее сопротивление всех элементиков выше 100 мОм, как и в случае упомянутой выше разборки древнего ноутбучного аккумулятора. Это живо напомнило опыт Фёдора, и как-то стало тревожно на душе.

Когда ехали на тестовый полёт — после 35-градусных морозов потеплело до -25С и решили-таки освежиться — то надеялись, что аппарат (тот самый, на котором сборка Фёдора выдала 25 секунд полёта) провисит хотя бы минут 5. Всё-таки мороз, все дела. Больше всего было опасений за просадку напряжения после взлёта — большое внутреннее сопротивление означает падение напряжения под нагрузкой. Но после взлёта напряжение просело всего на вольт, и почему-то решило дальше не проседать. Полчаса гоняли аппарат, который в конце концов сошёл с ума и протаранил берёзу — скорее всего, замёрз или раскалибровался компас; агрегат пока в работе, вполне может быть и то и другое; главное, что оставалось ещё порядочно заряда; собирались садиться на 18.5В, а было ещё почти 20В.

DVR-запись на телефон через приёмник Eachine ROTG01, который наших морозов не держит; поэтому запись периодически прерывается; смотреть на таймер внизу справа.

Максимальное полётное время, которое мы на аппарате достигали на липо-сборке 5500mA/h 6s — 38 минут, при весе сборки в

800 гр,, в плюсовую температуру. А тут — 32 минуты в -25С, и это был явно ещё не конец — на сборке 6s3p в 9000 mA/h весом в те же 800 гр. Возможно, на Самсунгах, которые 3400 против 3000, будет ещё больше. Особенно, если их поставить 4 в параллель, а не 3. 🙂 В общем, простор для махинаций — величайший. Главное — не нужно привязываться к готовому производителю, и можно всё колхозить самим.

Больше всего беспокоит внутреннее сопротивление батареечек — возможно, конечно, это тлетворное влияние консервантов (апдейт — да, так и есть). Например, батареечки из ноута, использованные для питания FPV-шлема в полётный день, моментально (за 12 минут) просели до опасных значений — то ли замёрзли, то ли не выносят нагрузки, ибо дома в тепле показали почти полный заряд — вот вам и внутреннее сопротивление.

Технологии литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов — далеко не панацея; но при грамотном применении способны облегчить жизнь. И не только в экстремальных хобби, но и вполне в быту; у каждого свои потребности.

Апдейт: после нескольких циклов заряд-разряд батарейка из 18650 стала показывать нормальное сопротивление — от 11 до 14 мОм на баночку (пруф).

Каждый электрик должен знать:  Электро- и радиотехника для всех (Стейнберг У. Ф., Форд У. В.)
Добавить комментарий
19.11.2010, 07:33 1