Руководство по перезаряжаемым литиевым аккумуляторам для начинающих

Автор оригинала: Lewin Day
  • Перевод


Когда-то аккумуляторы были тяжёлыми и неуклюжими предметами, выдававшими смехотворно мало энергии для своего размера и веса. К счастью, со временем технологии улучшаются, и в 2020 году у нас есть прекрасные мощные литий-полимерные аккумуляторы, выдающие столько энергии, сколько может понадобиться вашему мобильному проекту. Однако при их использовании нужно учесть некоторые моменты – поэтому предлагаю вам прочесть руководство для начинающих о том, как правильно использовать LiPo в своём проекте.

Так много типов!


Первые коммерческие литий-ионные аккумуляторы вышли на рынок в 1991 году, и за прошедшие с тех пор почти 30 лет мы наблюдали быстрый их прогресс. В итоге у нас появилось множество различных технологий и типов аккумуляторов, делящихся по типу конструкции и используемых материалов. Чтобы правильно обращаться с аккумуляторами, важно знать, какой именно тип попал к вам в руки, и очень важно обратить на это внимание.


Литий-ионные элементы форм-фактора 18650 из ноутбука. Подобные наборы обычно соединяются точечной сваркой никелевых полосок.

Обычно литий-ионными, или Li-ion аккумуляторами называют всю технологию перезаряжаемых литиевых батареек целиком, однако часто так называют традиционные элементы с цилиндрическим металлическим корпусом. Один из вариантов – многоуважаемые 18650, однако вообще их существует множество вариантов и размеров. Их крепкие корпуса сделали их популярными для использования в средствах передвижения, так как последние испытывают значительные физические нагрузки.

Литий-полимерными, или Li-Po называют литий-ионные батарейки, использующие полимерный электролит вместо жидкого. Благодаря этому их можно делать в виде ёмкостей различной формы. Такая гибкость делает их полезными для таких применений, как смартфоны и планшеты, где требуется аккумулятор большой ёмкости и плоской формы. Также их часто используют в радиоуправляемых моделях, поскольку их небольшой вес даёт существенное преимущество летающим аппаратам.


Литий-полимерные пакетные аккумуляторы для использования в радиоуправляемых моделях.

Lithium-HV, или литиевые аккумуляторы высокого напряжения – это литий-полимерные батарейки, использующие специальную кремний-графеновую добавку на плюсовой клемме, благодаря которой она не повреждается высоким напряжением. Если заряжать большинство литиевых аккумуляторов до напряжения выше 4,2 В, они значительно потеряют в ёмкости, а их срок службы будет заметно уменьшаться. Используя эту добавку, можно заряжать элементы до 4,32 В без подобных негативных последствий. Повышение напряжения даёт примерно 10% прибавку к плотности энергии по сравнению с обычными литий-полимерными аккумуляторами.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы , или LiFePO4, используют немного изменённую химию, благодаря чему они могут выносить больше циклов заряда/разряда за счёт немного меньшей энергетической ёмкости. Лучше всего они работают в диапазоне от 3,0 В до 3,65 В, а не в типичном для стандартной химии литий-ионов диапазоне 3,0-4,2. Благодаря этому и очень плоской кривой разряда делает их идеальными для замены 12 В свинцовых батарей во многих случаях, а вместо оригинальных шести элементов используются четыре. Обычно они более стабильными, меньше подвержены саморазряду и потере ёмкости со временем.

Уважайте границы



Ошибка может привести к неприятным результатам

По сравнению с большинством типов аккумуляторов, литиевые элементы плохо переносят неправильное обращение. Разряд ниже нижнего предела приводит к формированию медных дендритов, из-за чего у них уменьшается ёмкость и может произойти короткое замыкание. Перезаряд может привести к повреждению анода отложениями лития, из-за чего могут образоваться литиевые дендриты, что часто приводит к короткому замыканию или самоподдерживающейся реакции с выделением тепла – аккумулятор начинает дымиться и гореть. Также каждый элемент в группе нужно поддерживать на том же уровне напряжения, что и все его соседи, чтобы элементы не слишком быстро деградировали.

Важно не заряжать литиевые элементы слишком быстро. Также на эффективность работы аккумуляторов сильно влияет окружающая температура. Литиевые аккумуляторы не любят температур ниже нуля, особенно при полном заряде. Их нельзя заряжать при отрицательной температуре. Поскольку металлический литий может отложиться на минусовом электроде, что может повредить элемент или вызвать короткое замыкание. В принципе, их можно заряжать при температуре до -5°C, однако это нужно делать очень медленно. Кроме того, аккумуляторы могут повредиться, если заряжать их при температурах выше 45°C.

При выходе за указанные пределы в лучшем случае вы просто убьёте аккумулятор, в худшем случае он загорится и взорвётся. Кроме того, эти элементы подвержены раздуванию, выделению газа, да и вообще кажутся не очень удобными в работе. Может показаться, что иметь с ними дело чересчур сложно. К счастью, современная электроника научилась справляться с их проблемами. Правильное оборудование и меры предосторожности дают возможность использовать литиевые аккумуляторы безопасно и эффективно. Однако все, кто работает с ними, должны уяснить себе потенциальные опасности. Боб Бэддели в прошлом ноябре опубликовал отличную статью на эту тему.

Работа с аккумуляторами


В случае использования отдельных элементов или их групп, к примеру, при использовании LiPo аккумуляторов в радиоуправляемых моделях, достаточно просто использовать специальное зарядное устройство для литиевых аккумуляторов. При зарядке нужно подключать провода для проверки балансировки [позволяют измерять напряжение на каждом из элементов по отдельности / прим. перев.], особенно если батарея разрядилась полностью. Наибольшей эффективности в работе батарей можно добиться при использовании умных зарядных устройств (особенно в случаях с LiFePO4 и элементами высокого напряжения). Убедитесь, что у вас есть способ остановить разрядку батарей в случае слишком сильного понижения напряжения – будь то предупреждающий световой индикатор, звуковой сигнал или просто автоматическое отключение.


Подобные модули отлично подходят для интеграции литиевых аккумуляторов в прототип

Если вашему устройству требуется интегрированный аккумулятор, вам подойдут специальные платы защиты и заряда. Существуют готовые модули и интегральные схемы, позволяющие без проблем контролировать работу литий-ионных батарей. В принципе их множество – от тех, которые просто разрывают контур при понижении напряжения, до комплексных решений по зарядке и защите. Такие компании, как Adafruit, продают модули, которые отлично подойдут для начинающих любителей электроники, желающих интегрировать удобное решение по заряду и контролю аккумуляторов без необходимости проектировать платы самостоятельно. Однако существуют открытые решения, которые будет легко интегрировать в собственную плату в будущем.


Система управления батареей (BMS) для аккумуляторов из 12 элементов, способного выдавать до 60 А.

Для более крупных проектов с самостоятельно собранными батареями хорошо подойдут системы управления батареей (BMS). BMS, по сути, не сильно отличается от микросхемы защиты, она просто разработана для более крупных задач. BMS обычно используется для аккумуляторов, состоящих из десятка или более элементов, и часто в таких проектах, как электровелосипеды и другие средства передвижения. BMS паяется непосредственно к аккумуляторам, и подсоединяется к каждому элементу в отдельности [к группе элементов, соединённых параллельно / прим. перев.]. Её задача – балансировка элементов, ограничение тока разрядки для безопасности, управление процессом зарядки. Опытные сборщики батарей часто интегрируют BMS в корпус или кожух самого аккумулятора, оставляя снаружи только коннектор. Это позволяет пользователю просто добавить готовый аккумулятор в свой проект, не беспокоясь о защите.

Если вашему проекту необходима особая устойчивость к воздействию окружающей среды, вам также придётся отслеживать температуру аккумулятора. Отслеживать температуру ячеек, в особенности во время зарядки – отличный способ защитить аккумулятор от повреждения. У лучших чипов и BMS есть функция отслеживания температуры. На таком уровне сборки вы уже будете делать батарею самостоятельно, внедряя термопары в нужные места во время сборки. Для аккумуляторов, выдающих большие токи, температуры нужно отслеживать в обязательном порядке. Практически во всех электровелосипедах и электромобилях есть оборудование для отслеживания температуры аккумуляторов и управляющих систем.

Итог


Литий-ионные батарейки могут быть опасными, но при правильном использовании они достаточно безопасны для большинства проектов. Главное – использовать правильное оборудование, чтобы убедиться, что вы не выйдете за пределы диапазонов напряжения и температуры, иначе может случиться беда. Надеюсь, что данная инструкция поможет вам в поисках информации по включению литиевых аккумуляторов в свой проект.

См. также:

AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама

Комментарии 32

    –1

    В одно время насмотрелся видеороликов про горящие аккумуляторы, теперь все их держу в старой толстой кастрюле от греха подальше. Не уверен, что спасет от пожара, но хоть чуточку спокойнее. Ещё слышал, что для лучшего хранения нужно зарядить аккумулятор только на 50%, это действительно так?

      +5

      В железной кастрюле россыпью))

        0

        Конечно нет) Кастрюля эмалированная, каждый аккумулятор в своем чехле.

        0

        У некоторых зарядников есть специальный режим даже — storage. Не уверен насчёт 50%, мне показалось, часто ёмкость при этом — около 70 процентов от номинала.

          0
          оптимально около 50%. 70 — это с запасом для дальнейшего саморазряда.
          +4
          1. Литиевые аккумуляторы возгораются/взрываются при заряде, причём практически всегда — при заряде из состояния «полностью разряжен».
          1.1. Не разряжайте аккумулятор досуха. Даже если очень надо.
          1.2. Не заряжайте разряженный от мощного зарядника с возможностью быстрой зарядки. Возьмите какой-нибудь старенький с максимумом 1А или даже 0.3А на 5в, и заряжайте от него. Да, долго. Зато безопаснее и обеспечит лучшее состояние аккумулятора.
          2. Для лучшего здоровья аккумулятора и при хранении и эксплуатации полезно поддерживать заряд в диапазоне 40%-80%.
            0
            Это, так называемый, режим хранения аккумулятора. Для LiPo это 3,8 В на элемент. Длительное хранение таких аккумуляторов не рекомендуется как полностью заряженных, так и полностью разряженных.
              +1
              Максимум потери емкости при хранении — при заряде 40%. При теплом хранении.
              Но хранить лучше около 0 градусов, при такой температуре уровень заряда (40-100%) уже мало влияет на сохранность. Сильно ниже 40% хранить точно не надо — хранение в сильно разряженном состоянии убивает быстрее, чем в заряженном. А если разрядить ниже допустимого — труп сразу. БМС даже откажется такую ячейку заряжать.
              Посмотреть можно, например здесь: batteryuniversity.com/learn/article/how_to_store_batteries
              Ну или в даташит заглянуть. Хотя там про хранение обычно не пишут, а вот про транспортировку могут написать.

              Вообще, какая-то очень странная статья. Полезной информации около нуля. Химия упомянута только LiIon и LiFePO4. Сравнения преимуществ и недостатков нет. Токи заряда/разряда, рабочие температуры, температуры заряда. Количество циклов заряд/разряд. Про литий-титанат тоже ничего. А автобусы сейчас именно на нем ездят. Они практически вечные (десятки тысяч циклов), хотя удельная емкость ниже, чем Li-Ion.

                +2
                Максимум потери емкости при хранении

                «Минимум потери», конечно :)))
                  0
                  По разным данным от 0 до 50%. Под 0%, подразумевается минимально допустимое напряжение по даташиту, а не ноль вольт, если что.

                  По опыту могу сказать, что зона ускоренной деградации — это 80%+, так что для большинства практических применений достаточно без необходимости не вылезать за эту границу, а если вылезать, то не надолго. То есть заряжать до 100% аккум только непосредственно перед использованием.

                  Впрочем, всё это касается только аккумов ёмкостью, измеряемой сотнями ватт-часов и более, потому что дорого. Для всякой мелочи вроде телефонов, ноутбуков и прочих девайсов с аккумами из нескольких 18650 заморачиваться с продлением ресурса, имхо, нецелесообразно. Проще поменять раз в три года.

                  Титанат может и вечный, но по энергоёмкости от свинца недалеко ушёл.

                  А если разрядить ниже допустимого — труп сразу. БМС даже откажется такую ячейку заряжать.

                  На самом деле, если разрядить не совсем в ноль и быстро вернуть, то ещё поживёт.

                  И да, к сожалению, далеко не все бмс такие умные. Так что в устройствах на ширпотребной китайской комплектухе спасёт только периодический ручной контроль.

                    0
                    Химия упомянута только LiIon и LiFePO4. Сравнения преимуществ и недостатков нет. Токи заряда/разряда, рабочие температуры, температуры заряда. Количество циклов заряд/разряд. Про литий-титанат тоже ничего. А автобусы сейчас именно на нем ездят. Они практически вечные (десятки тысяч циклов), хотя удельная емкость ниже, чем Li-Ion.

                    LiFePO4 это подмножество LiIon. Литий-титанат тоже подмножество LiIon. А «сравнение» с LiIon — это как сравнение с «обычным порошком» из рекламы.
                      +1
                      Справедливое замечание. Под Li-Ion я имею ввиду так называемые «обычные» литий-ионные, которые литий-кобальтовые и имеют напряжение в заряженном состоянии 4.2 В. Сейчас вроде-бы и на другой химии делают, литий-марганцевые, но характеристики у них сходны. А LiFePO4 и литий-титанат все же играют в других лигах — у них сильно отличаются и электрические параметры, и эксплуатационные. Вот об этом, на мой взгляд, и стоило бы написать.
                      PS: Статью вашу, конечно же читал :)
                  +3
                  Хм… моя статья от 2016 года стало быть до сих пор актуальна…
                    +1

                    Год назад собрал батарею 4S10P для вела (видео). Прошлое лето вел отъездил отлично, после чего зимовал в неотапливаемом гараже. А этой весной обнаружил, что одна из банок разряжена в ноль, а на другой 1.2 вольта. Остальные банки были ОК. Я при покупке замерял вольтаж всех 40 аккумов, и у пары из них вольтаж был процентов на 15 ниже, чем у остальных. Так вот просели как раз те банки, где стояли эти отличающиеся аккумы.
                    Но вроде удалось вылечить путем подавания на проблемные банки напряжения с маломощного блока питания 3-4 вольт, с тем чтобы на аккуме появилось хоть какое-то напряжение, чтобы включился БМС.
                    Выводы:
                    1) покупать аккумы лучше с запасом, так как скорее всего придется что-то отбраковать.
                    2) все аккумы надо перемерять и отбраковать отличающиеся. Что именно мерять — вольтаж, ток утечки или внутреннее сопротивление — тут дебатов много. В моем случае вольтажа было достаточно, так как за время доставки все утечки которые происходили в аккумах отразились именно на вольтаже. Измерять надо сразу после доставки, не пытаться их заряжать/разряжать перед этим.

                      0
                      На холоде сохранность должна быть только выше.

                      Либо прожёг сваркой/перегрел пайкой, либо за лето изнасиловал батарейку так, что ей поплохело. Или забыл отключить от контроллера.

                      Ты же не думаешь, что перед продажей банки хранятся в тепличных условиях на отапливаемых складах? Да и срок хранения может быть далеко не один месяц, а то и год. И если они после всего этого пришли с напряжением почти одинаковым, то проблема явно не в гараже и не в банках.

                      И да, эксплуатировать банки, возвращённые с того света, крайне не советую. Особенно в сборке. Одна из причин ежесезонного весеннего всплеска возгораний всяких электросамокатов. Батка ушла за зиму в ноль, бмс тупая (не мешает заряжать нулевые банки), неисправна или отсутствует, поставили на зарядку и привет.
                      +1
                      Не сделали акцент что использование bms обязательно. Без неё просто глубоким разрядом на раз убиваешь литий.
                        +2
                        Это не самое страшное. Последующим зарядом из глубокого разряда литий начинает убивать тебя.
                        0
                        По Li-ion аккумуляторы история.
                        Был у нас давно один проект и там задействовалось около 200 аккумуляторов в форм-факторе 18650. Проект не взлетел и аккумуляторы переехали на холодный склад. Новые, заряженные и ни разу не использованные. Перезимовали в итоге 6 зим при минусе до -45°С иногда. Недавно их достали, померили напряжение — почти у всех 3.7 или до 3.3. Воткнули в зарядник и они, о чудо, все зарядились. Честно говоря, никто не ожидал такого.
                          0

                          А теперь может ли кто-то простым языком объяснить как пользоваться ноутбуком? ThinkPad T580 (Li-полимер). Я работается утра до вечера, за столом. Всё время держать на зарядке? Заряжать, разряжать, снова заряжать? Вопрос вроде простой, но мнения попадаются противоположные. Продавец в фирменном магазине рекомендовал всё время держать на зарядке. Я так и делал 2 года. Износ батарей (из две, одна внутри, другая съемная) 13% и 42% соответственно.

                            0

                            Железо ноутбуков само останаливает заряд по завершению, ток не течёт постоянно. Но батарея находится в полностью заряженном состоянии и в тепле — что вредно. Поэтому если автономность не нужна — логично ограничить максимальный заряд на 70%. У некоторых ноутбуков такая функция есть прямо в штатном ПО, у делла и синкпадов точно. Гонять батарею циклами не нужно, это не кадмий. Оптимально чтобы она всё время была на 60-70% заряда и в прохладе, но холода в ноуте обеспечить не получится. Если сильно хочется поберечь вторую батарею — можно её зарядить до 70% и положить в холодильник, а основная в любом случае расходник.

                              0
                              У леновы есть родная утилита (раньше называлась power manager, потом они ее включили в vantage вроде) которая позволяет произвольно настраивать профиль зарядки. Например я себе настроил чтобы зарядка начиналась только если батарея ниже 40% и завершалась при достижении 60%
                                0

                                Про 70% понял, гляну. Про батареи, тут все наоборот: ноут по минимуму юзает внутреннюю батарею, у неё износ минимальный. Если съемную батарею снять и хранить отдельно, он начнёт юзать внутреннюю, и она быстрее износится (а меня ее сложнее)

                                0
                                На Хабре было много статей: одну я написал, были до меня статьи от Mugen Power Batteries: первая, вторая. До этого бывали совсем старые статьи вроде этой. В целом идеальное хранение — наполовину заряженная при 15 градусах, по факту — где нибудь в прохладном месте с зарядом в пределах 40-60% (разница не настолько уж и большая) и компенсацией саморазряда в этих рамках.
                                  0

                                  Честно говоря, это немного не то. Особенности работы, графики, тонкости — познавательно, но нет самого простого совета. Как быть с ноутбуком (при условии, что он используется как стационарный компьютер, в смысле, что всегда есть розетка).

                                    0
                                    К сожалению в вашем случае, со встроенным аккумулятором — только программно ограничить заряд. А съемную снять, так она точно дольше проживет. Если настроек для встроенной не предусмотрено — тогда внешнюю жертвовать.
                                0
                                В любой подобной статье обязательно напишут о цилиндрических 18650 и дополнят о существовании "… множество вариантов и размеров...". На практике достать меньше 18650 можно разве что 18350, да и те разного размера оказываются из-за платы защиты. И больше ничего не доступно за вменяемые деньги. Хочешь меньше — бери плоские.
                                  0
                                  ААА и АА формат никто не отменял
                                    0
                                    Речь о литиевых аккумуляторах. Говорят, что бывает перезаряжаемый литий в формате АА, но в глаза его мало кто видел.
                                      0

                                      Не бывает. Для лития типоразмер указывается цифрами, как раз чтобы не путали (вольтаж то сильно другой).
                                      14500 такая же как АА, 10440 — такая же как ААА.

                                        0

                                        Да не уж то? o_O
                                        Например аккумуляторы типоразмера 14500 с выводами под пайку (как у конденсаторов) есть как минимум 3 типов: LiFePO4, Li4Ti5O12 и LiMn2O4. Классно в разных разработках использовать. В плату впаять легко, контроллеры заряда с минимум обвязки полно. Емкость 500мАч. В титанате большой плюс — ускоренный заряд хоть до 10С. В марганцовых свой — батарея из нескольких ячеек сильно в балансировке не нуждается. При перезаряде на любой ячейке он лишнюю энергию просто в тепло фигачит, но не убывает ее сразу же после нескольких таких циклов в какашку как в простом литие. То есть скинул на последней стадии заряд в Х0,1С и добывай се недозаряженную ячейку до 100%. Остальные просто греются. (Безопасность и все такое не рассматривается, это все решается обвязкой, ее сложностью и т.д. запороть можно и неубиваемый титанат… да и никто не мешает контроль температуры приделать). Максимальный непрерывный ток разряда для 14500 от 5А для LiFePO4 и до 13А Li4Ti5O12. А вы говорите меньше 18650 нету. и это то что покупал для ся недавно в простом магазине радиодеталей.

                                          0
                                          В формате 14500 чаще встречаются литиевые батареи на 3В. Хорошо, 14500 и 10440 действительно днем с огнем можно найти, хотя и не в каждом магазине. Мой исходный комментарий был о том, что в статьях пишется про множество различных форматов. На практике меньше 18650 можно достать разве что 18350 (те же яйца), 16340, 14500 и 10440. Никакого множества форматов в магазинах не наблюдается. Использовать сменные 14500 и 10440 опасно из-за схожести с обычными AA и AAA, рядовой пользователь наверняка перепутает. Если их исключить, то выбор совсем куцый.
                                      +1
                                      14500 в фонарике, вполне себе стандартный типоразмер.

                                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                    Самое читаемое