Хотя литий-ионная (полимерная) батарея малой емкости, содержащая оксид лития-кобальта (LiCoO2), обеспечивает наилучшую плотность энергии по массе и объемную плотность энергии, оксид лития-кобальта (LiCoO2) очень дорог и небезопасен для крупномасштабных литиевых батарей. ионные батареи.

В последнее время литий-железо-фосфат (LiFePO4) становится «лучшим выбором» материалов в коммерческих литий-ионных (и полимерных) батареях для устройств большой емкости и высокой мощности, таких как ноутбуки, электроинструменты, инвалидные кресла и т. д. -велосипеды, электромобили и электроавтобусы.

Аккумулятор LiFePO4 имеет гибридные характеристики: он такой же безопасный, как свинцово-кислотный аккумулятор, и такой же мощный, как ионно-литиевый аккумулятор. Ниже перечислены преимущества литий-ионных (и полимерных) аккумуляторов большого формата, содержащих литий-железо-фосфат (LiFePO4):

Чтобы поставить часы на процесс, шаг 1 (60 % SOC) занимает около часа, а шаг 2 (40 % SOC) — еще два часа.

Поскольку к аккумулятору LiFePO4 можно прикладывать перенапряжение без разложения электролита, его можно заряжать только одним шагом CC, чтобы достичь 95% SOC, или заряжать CC+CV, чтобы получить 100% SOC. Это похоже на способ безопасной принудительной зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов. Минимальное общее время зарядки составит около двух часов.

2. Большая устойчивость к перезарядке и более безопасная работа
Аккумулятор LiCoO2 имеет очень узкую устойчивость к перезарядке, примерно на 0,1 В выше плато напряжения зарядки 4,2 В на элемент, что также является верхним пределом напряжения зарядки. Непрерывная зарядка напряжением выше 4,3 В может привести к ухудшению характеристик аккумулятора, например сокращению срока службы, или привести к возгоранию или взрыву.

Аккумулятор LiFePO4 имеет более широкий диапазон допустимых значений перезарядки, составляющий около 0,7 В, по сравнению с плато зарядного напряжения, составляющим 3,5 В на элемент. При измерении дифференциальным сканирующим калориметром (ДСК) экзотермическая теплота химической реакции с электролитом после перезарядки составляет всего 90 Дж/г для LiFePO4 против 1600 Дж/г для LiCoO2. Чем больше экзотермическое тепло, тем сильнее пожар или взрыв, который может произойти при неправильном обращении с батареей.

Батарея LiFePO4 может быть безопасно перезаряжена до 4,2 В на элемент, но более высокое напряжение начнет разрушать органические электролиты. Тем не менее, обычно для зарядки 12-вольтовой 4-элементной батареи используется зарядное устройство для свинцово-кислотных аккумуляторов. Максимальное напряжение этих зарядных устройств, независимо от того, работает ли оно от сети переменного тока или от автомобильного генератора, составляет 14,4 вольта. Это прекрасно работает, но свинцово-кислотные зарядные устройства снизят напряжение до 13 В.8 вольт для плавающего заряда, и поэтому обычно прекращается до того, как аккумулятор LiFe достигает 100%. По этой причине для надежного достижения 100% емкости требуется специальное зарядное устройство LiFe.

Из-за дополнительного фактора безопасности эти аккумуляторы предпочтительны для приложений с большой емкостью и высокой мощностью. С точки зрения высокой устойчивости к перезарядке и безопасности батарея LiFePO4 похожа на свинцово-кислотную батарею.

<р>3. Самобалансировка
В отличие от свинцово-кислотной батареи, ряд ячеек LiFePO4 в аккумуляторной батарее, соединенных последовательно, не могут балансировать друг друга в процессе зарядки. Это связано с тем, что зарядный ток перестает течь, когда элемент заполнен. Вот почему для пакетов LiFEPO4 нужны платы управления.

<р>4. Плотность энергии в четыре раза выше, чем у свинцово-кислотного аккумулятора.
Свинцово-кислотный аккумулятор представляет собой систему на водной основе. Напряжение одиночной ячейки номинально составляет 2 В во время разряда. Свинец является тяжелым металлом, его удельная емкость составляет всего 44 Ач/кг. Для сравнения, литий-железо-фосфатный элемент (LiFePO4) представляет собой неводную систему с номинальным напряжением 3,2 В во время разряда. Его удельная мощность составляет более 145 Ач/кг. Таким образом, гравиметрическая плотность энергии батареи LiFePO4 составляет 130 Втч/кг, что в четыре раза выше, чем у свинцово-кислотной батареи (35 Втч/кг).

5. Упрощенная система управления батареями и зарядное устройство
Большая устойчивость к перезарядке и характеристика самобалансировки батареи LiFePO4 могут упростить защиту батареи и сбалансировать печатные платы, снижая их стоимость. Одноэтапный процесс зарядки позволяет использовать более простой обычный источник питания для зарядки аккумулятора LiFePO4 вместо использования дорогого профессионального зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов.

6. Более длительный срок службы
По сравнению с батареей LiCoO2, срок службы которой составляет 400 циклов, срок службы батареи LiFePO4 увеличен до 2000 циклов.

7. Рабочие характеристики при высоких температурах
Требуется, чтобы батарея LiCoO2 работала при повышенной температуре, например 60°C. Однако батарея LiFePO4 лучше работает при повышенных температурах, обеспечивая на 10 % большую емкость благодаря более высокой литий-ионной проводимости.

PowerStream Technology
1163 South 1680 West
Орем, Юта 84058
США
Телефон: 801-764-9060 Факс: 801-764-9061

© Copyright 2000, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019, 2020, 2021, 20
Lund Instrument Engineering, Inc. Все права защищены.
Подтверждение автора Google

Литий-ионные аккумуляторы можно заряжать вручную от источника питания. Однако при использовании источника питания для зарядки ионно-литиевой батареи можно регулировать ограничение напряжения и тока. Более того, процесс зарядки никогда нельзя оставлять без присмотра, прекращение заряда не является автоматическим процессом при использовании блока питания. Для ионно-литиевых аккумуляторов необходимо проверить напряжение полного заряда, 4,2 В на элемент. Будьте очень осторожны, чтобы ячейки, соединенные последовательно, никогда не превышали это напряжение. При использовании источника питания для зарядки литий-ионных аккумуляторов полная зарядка достигается, когда напряжение элементов внутри достигает 4,2 В на элемент, а ток падает до 3% от номинального тока. Последнее, что вы никогда не должны оставлять заряжающийся аккумулятор без присмотра. Аккумуляторную батарею необходимо немедленно извлечь, как только она будет полностью заряжена. Невыполнение этого требования может привести к взрыву ионно-литиевой батареи.

Вредит ли быстрая зарядка литий-ионным аккумуляторам?

Предполагается, что энергия каждого заряда уходит в аккумулятор, независимо от того, заряжается он медленно, быстро или сверхбыстрым способом. Аккумуляторы — это нелинейные устройства, и большинство химических устройств допускают быструю зарядку от пустого до пятисотого состояния заряда (SoC) с очень небольшими потерями. NiCd подходит лучше всего и испытывает наименьшую нагрузку. Стрессы возникают в течение последней половины цикла заряда в направлении высокого заряда, когда прием ионов металла внутри анода литий-иона становится затрудненным. Аналогия — гневные водители, борющиеся за последнее место для парковки в очень торговом центре, чтобы успеть на покупку. Применение сверхбыстрой зарядки, когда батарея разряжена и, таким образом, действительно выдыхается, как только достигается пятисотый SoC и лучше, называется пошаговой зарядкой. Бизнес по производству портативных компьютеров уже несколько лет применяет ступенчатую зарядку. Производители аккумуляторов не публикуют данные о скорости зарядки в качестве производительности SoC. многие из них могут быть конфиденциальными данными.

Исследовательские корпорации заявляют, что получили преимущества от импульсной зарядки литий-ионных батарей по сравнению с обычной зарядкой CCCV. Научное сообщество скептически относится к различным зарядкам и занимает выжидательную позицию. Ученые, изучающие деградацию литий-ионных аккумуляторов, считают, что быстрая зарядка может повредить аккумуляторы быстрее, чем можно было бы ожидать. в основном происходит то, что быстрая зарядка, по-видимому, повреждает частицы проводника батареи, заставляя устройство терять способность и сокращая период времени. Эта деградация вызвана свистом ионов металла между внутренними электродами.

Как заряжать ионно-литиевый аккумулятор от источника питания?

Во-первых, вам нужно выяснить рейтинг C вашего аккумулятора. Во-вторых, вам нужно установить предел мощности ниже значения C/10. Например, если у вас литий-ионный аккумулятор емкостью 2 600 мА·ч, установите для источника питания значение ниже 260 мА.

Следующий шаг — получить напряжение заряженного аккумулятора. Для литий-ионных аккумуляторов это будет 4,2 В на элемент. Проверьте его на выходе с помощью хорошего вольтметра, если он у вас есть, на всякий случай, так как ионно-литиевые батареи не любят перенапряжения.

Следующий шаг – подключить аккумулятор к источнику питания с помощью амперметра, последовательно подключенного к аккумулятору. Если в вашем блоке питания уже есть амперметр, вы можете использовать его.

Необходимо внимательно следить за счетчиком и ждать, пока указанный на нем ток не упадет до нуля. Когда он равен нулю, батарея полностью заряжена.

Имейте в виду, что некоторые ионно-литиевые аккумуляторы имеют специальные разъемы для балансировочных ячеек. Если он у вас есть, было бы неплохо использовать зарядное устройство, которое может использовать этот разъем.

Прямой способ сделать это – первоначальный анализ батареи и определение ее рейтинга C. Затем установите текущий лимит объекта ниже C/10, чтобы быть в безопасности. поэтому, скажем, для батареи емкостью 2600 мАч предел должен быть ниже 260 мА.

Следующий шаг — запросить напряжение заряженной батареи. Для батарей с атомным номером 3 это 4,2 В на элемент. у вас есть батарея с тремя S, следовательно, три ячейки последовательно, что дает вам двенадцать,6 В. Установите напряжение на объекте, указанном в цене. Проверьте его на выходе с помощью честного мультиметра, если он у вас есть, просто на всякий случай, поскольку батареи с атомным номером 3 не любят перенапряжения.

Следующий шаг — подключить аккумулятор к объекту с амперметром, последовательно подключенным к аккумулятору. Если в вашем блоке питания уже есть амперметр, вы сможете его использовать.

Нужно смотреть на счетчик и заглядывать вперед, чтобы настоящее указывало на то, чтобы опуститься до нуля. когда он равен нулю, батарея полностью заряжена.

Низкотемпературный прочный полимерный аккумулятор для ноутбука с высокой плотностью энергии Характеристики аккумулятора: 11,1 В, 7800 мА·ч, -40℃, 0,2C, разрядная емкость ≥80%, пыленепроницаемость, устойчивость к падению, защита от коррозии, защита от электромагнитных помех

Имейте в виду, что некоторые ионно-литиевые аккумуляторы имеют специальные разъемы для ячеек согласования. Если у вас есть это, было бы неплохо использовать зарядное устройство, которое позволит использовать этот инструмент.

Согласно соглашению о пассивном знаке, (I) – это ток, который входит в положительный вывод компонента или входит в сторону с более высоким потенциалом, чем другая сторона.

Подсоедините положительную клемму аккумулятора к положительной клемме источника питания и сделайте то же самое с отрицательными клеммами. Установите напряжение источника таким же значением, как номинальное напряжение батареи (если батарея 12 В, установите источник на 12 В), а ток ниже предела, который составляет x/10 A, где x – общий заряд батареи, как упоминалось ранее. Используйте амперметр для измерения тока, протекающего в цепи, который будет равен нулю, когда батарея полностью заряжена.

Кроме того, ионно-литиевые батареи могут взорваться, если вы не будете обращаться с ними безопасно, поэтому прежде чем продолжить, поищите ответы других специалистов на этом форуме.

Лучше всего купить совместимое зарядное устройство для ионно-литиевых аккумуляторов с индикатором заряда.

Несколько продавцов утверждают, что вы можете использовать существующее свинцово-кислотное зарядное устройство.Реальность такова, что лишь очень немногие могут точно и безопасно зарядить литий-железо-фосфатную батарею правильно и до полного состояния заряда, делая это эффективно, особенно при использовании солнечной энергии, когда вы хотите получить от нее максимальную отдачу. батареи.

Для литиевых аккумуляторов требуется тип заряда постоянным током/постоянным напряжением (CC/CV) с простыми этапами: объемный, абсорбционный и плавающий.

Многие свинцово-кислотные зарядные устройства имеют встроенные ступени десульфатации и выравнивания, которые подают в аккумулятор импульсы высокого напряжения 15,3–15,8 В. Это действительно важно для правильной зарядки и обслуживания свинцово-кислотных аккумуляторов, чтобы избежать расслоения электролита и обеспечить надлежащее выравнивание напряжения элементов, но определенно не подходит для аккумуляторов LiFePO4. Это может значительно сократить срок службы элементов из-за регулярной зарядки от перенапряжения или привести к необратимому повреждению аккумулятора.

Многие свинцово-кислотные зарядные устройства имеют автоматическую коррекцию, которую нельзя отключить. Когда эти этапы вступят в силу, они приведут к тому, что почти все имеющиеся на рынке батареи LiFePO4 хорошего качества с внутренней BMS перейдут в режим защиты от отключения по высокому напряжению при напряжении около 15,0 В — цепь батареи разомкнется, а зарядное устройство и все нагрузки отключатся перед запуском. все сначала после сброса (если он автоматически сбрасывается - не все BMS будут делать это автоматически). Для тех, кто этого не делает, батарея разомкнута и отключена, пока вы не поймете и не примете меры для ее сброса. Для тех, кто это делает, вы затем получаете сценарий включения / выключения / включения / выключения в течение многих часов, что приводит к плохой производительности зарядки и иногда никогда не выходит из этих этапов в течение многих часов.

Независимо от того, что они говорят в своем маркетинге (а на самом деле это все - выдуманный маркетинговый ход) о своих якобы волшебных батареях, на которых можно использовать любое зарядное устройство, это просто совершенно неправильно и демонстрирует полное непонимание. химии LiFePO4, узком диапазоне напряжений, в котором он работает, и последствиях использования многоступенчатого свинцово-кислотного зарядного устройства для зарядки элементов LiFePO4.

Это намного больше, чем просто изложение выше, но оно включает в себя очень техническое обсуждение, которое приведено ниже, если вам нужна дополнительная информация.

Во-первых, важно понимать диапазон напряжений, в котором работает каждый тип батареи. Обычно свинцово-кислотная батарея полностью заряжена в состоянии покоя при напряжении 12,6–12,8 В, а батарея LiFePO4 — при 13,3–13,4 В. Свинцово-кислотный аккумулятор. Аккумуляторы LiFePO4 работают в очень узком диапазоне напряжений: всего 0,5 В от полного до 20% заряда. Даже при уровне заряда 25 % оно по-прежнему будет составлять около 12,8 В, тогда как свинцово-кислотный аккумулятор при уровне заряда 25 % составляет около 11,7 В с диапазоном более 1,1 В.

Теперь поговорим о зарядке.

Зарядные устройства LiFePO4 почти всех основных и известных брендов ограничивают напряжение заряда до 14,6 В. Это важно для ограничения напряжения, подаваемого на батарею в целом, и поддержания отдельных последовательно соединенных элементов на уровне не более 3,65 В. Свинцово-кислотные зарядные устройства будут регулярно заряжаться выше этого напряжения, что может привести к перезарядке элементов (если они не будут должным образом ограничены BMS) или вызвать проблему отключения высокого напряжения, описанную выше. Элементы LiFePO4 нуждаются в простом профиле заряда Bulk / Absorbment, за которым следует возврат в режим питания (все еще обычно называемый плавающим, но действует иначе, чем плавающий этап зарядного устройства для свинцово-кислотных аккумуляторов), который поддерживает напряжение около 13,6 В и поддерживает любые нагрузки, потребляемые от батареи. . Стадии поглощения очень короткие, так как напряжение очень быстро возрастает до 14,6 В в конце цикла зарядки.

Это отличается от зарядного устройства для свинцово-кислотных аккумуляторов, которое будет заряжаться на стадии накопления примерно до 80 % при полном токе и увеличении напряжения, после чего оно переходит в стадию поглощения с постоянно уменьшающимся током, сохраняя при этом максимальное напряжение в течение многих часов. Это может занять от 2 до 8 часов (в зависимости от марки зарядного устройства), прежде чем вернуться к плавающему режиму, и действительно требуется много часов, чтобы полностью зарядить аккумулятор до 100%. Большинство из них основаны на времени и никогда не смогут полностью зарядить батарею LiFePO4. Свинцово-кислотное зарядное устройство продолжает подавать в аккумулятор небольшой ток — подумайте о непрерывном заряде независимо от того, есть ли нагрузка или нет, чтобы поддерживать элементы. Если зарядное устройство недостаточного размера, то стадия абсорбции может никогда не завершиться (из-за нагрузки на систему) и вернется к плавающему режиму по истечении заданного времени. На самом деле он может не дойти до 100% заряда. Поскольку свинцово-кислотное зарядное устройство переходит к абсорбции намного раньше, чем зарядное устройство LiFePO4, вы всегда рискуете никогда не зарядить аккумулятор LiFePO4 с помощью свинцово-кислотного зарядного устройства.

Одной из самых неприятных проблем при использовании свинцово-кислотного зарядного устройства для зарядки аккумулятора LiFePO4 являются предварительно установленные настройки напряжения в алгоритме зарядки для повторного запуска стадии объемного заряда. Так как свинцово-кислотный аккумулятор полный при 12,7-12.8 В, почти все свинцово-кислотные зарядные устройства не будут запускать массовую зарядку для повторного запуска, пока оно не упадет ниже 12,5–12,7 В, поскольку ему не нужно перезаряжаться, пока напряжение не упадет на небольшую величину от полного. Используя это зарядное устройство для зарядки аккумулятора LiFePO4, оно не начнет повторную массовую зарядку до тех пор, пока уровень заряда аккумулятора LiFePO4 не упадет примерно до 20-25% при том же напряжении, что и у свинцово-кислотного аккумулятора. Вы должны использовать почти всю емкость аккумуляторов LiFePO4, прежде чем свинцово-кислотное зарядное устройство снова начнет заряжаться. Зарядное устройство, специально предназначенное для LiFePO4, активирует стадию массовой зарядки, чтобы начать перезарядку обычно при 13,1–13,2 В, гарантируя, что зарядка начнется снова, когда она все еще находится в состоянии высокого заряда, а не в очень низком состоянии заряда, когда будет слишком поздно. Подумайте об этом, когда используете солнечную энергию для зарядки аккумуляторов. Когда утром встает солнце, свинцово-кислотный контроллер заряда солнечной батареи может вообще не начать зарядку независимо от времени суток, если он считает, что батарея уже заряжена, основываясь на измеренном напряжении, поскольку напряжение перезарядки не изменилось. т был встречен. Он просто останется в плавающей стадии. Вы можете потерять часть или весь день солнечного света, прежде чем зарядить аккумулятор вообще, оставив вас практически без заряда и потенциально разряженных аккумуляторов за ночь.

Вы можете использовать свинцово-кислотное зарядное устройство переменного тока в постоянный, питающееся от сети, поскольку эффективность и продолжительность заряда не так важны, оно не должно иметь автоматических режимов десульфатации или выравнивания. Если это так, не используйте его, так как высока вероятность повреждения элементов или батареи. Это может значительно сократить срок службы батареи. Если он имеет простой профиль объемного/абсорбционного/плавающего заряда, то его можно использовать для подзарядки аккумулятора, но после зарядки его необходимо отключить, а не оставлять в режиме подзарядки/обслуживания. Он также должен иметь максимальное выходное напряжение 14,4-14,6В. Когда дело доходит до зарядных устройств DCDC и солнечных контроллеров, вы должны заменить их на специальные модели LiFePO4. Эффективное использование ограниченной солнечной мощности и часов солнечного света в день или ограниченных часов вождения с зарядкой от генератора переменного тока имеет решающее значение. Вы должны максимально использовать энергию этих источников.

В конечном счете, если бы это было так просто, как использование свинцово-кислотных зарядных устройств, то такие компании, как REDARC, Enerdrive, Victron, Projecta, Intervolt и любой другой поставщик зарядных устройств в стране, который производит зарядные устройства для LiFePO4, не тратили бы десятки/сотни тысячи долларов на разработку конкретных моделей LiFePO4.

Ежемесячно мы получаем десятки звонков от недовольных клиентов (и торговых посредников) именно по поводу этой дезинформации от продавцов других брендов. Они обнаруживают, что их зарядные устройства просто не работают так, как им обещали, и им приходится модернизировать системы зарядки после того, как недобросовестные продавцы некачественных аккумуляторов обокрали их с трудом заработанные деньги.

Если вам нужны непревзойденные аккумуляторы LiFePO4 с долговечностью, надежностью и непревзойденной производительностью, свяжитесь с нами сегодня и спросите о литий-железо-фосфатных аккумуляторах AllSpark и зарядном устройстве, разработанном специально для аккумуляторов LiFePO4, которые являются эффективными и безопасными для защиты ваших новых инвестиций. .

Для большинства электронных продуктов, работающих от аккумуляторов, предпочтительным типом аккумулятора является литий-ионный аккумулятор. Узнайте, что нужно для их правильной зарядки.

Литий-ионный аккумулятор чаще всего используется в бытовой электронике. Из других типов, которые использовались ранее, никель-кадмиевые батареи для использования в электронном оборудовании были запрещены в ЕС, поэтому общий спрос на эти типы упал.

NiMH-аккумуляторы все еще используются, но их более низкая плотность энергии и соотношение цены и качества делают их непривлекательными.

Эксплуатация и конструкция литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные батареи считаются вторичными батареями, то есть они перезаряжаемы. Наиболее распространенный тип состоит из анода, выполненного из слоя графита, нанесенного на медную подложку, или токосъемника, и катода, покрытого оксидом лития-кобальта, на алюминиевой подложке.

Сепаратор обычно представляет собой тонкую полиэтиленовую или полипропиленовую пленку, которая электрически разделяет два электрода, но позволяет ионам лития проходить через нее. Такое расположение показано на рисунке 1.

Также используются различные другие типы анодных и катодных материалов, названия наиболее распространенных катодов обычно соответствуют описанию типа батареи.

Таким образом, катодные элементы из оксида лития-кобальта известны как элементы LCO. Типы оксида лития, никеля, марганца и кобальта называются типами NMC, а элементы с катодами из литий-железо-фосфата известны как элементы LFP.

Рисунок 1. Основные компоненты типичного литий-ионного аккумулятора

В настоящем литий-ионном элементе эти слои обычно плотно намотаны друг на друга, а электролита, хотя и жидкого, едва хватает для смачивания электродов, и жидкость не плещется внутри.

Это расположение показано на рисунке 2, на котором изображена реальная внутренняя конструкция призматической или прямоугольной металлической ячейки. Другими популярными типами футляров являются цилиндрические и мешочные (обычно называемые полимерными ячейками).

На этом рисунке не показаны металлические выступы, прикрепленные к каждому токосъемнику. Эти вкладки представляют собой электрические соединения с аккумулятором, по сути, клеммы аккумулятора.

Рисунок 2. Типичная внутренняя конструкция призматического литий-ионного элемента

Зарядка литий-ионного элемента включает использование внешнего источника энергии для перемещения положительно заряженных ионов лития от катода к анодному электроду. Таким образом, катод становится отрицательно заряженным, а анод заряженным положительно.

Внешне зарядка включает в себя перемещение электронов со стороны анода к источнику зарядки, и такое же количество электронов выталкивается на катод. Это направление противоположно внутреннему потоку ионов лития.

Во время разрядки к клеммам аккумулятора подключается внешняя нагрузка. Ионы лития, которые были сохранены в аноде, возвращаются к катоду. Внешне это связано с движением электронов от катода к аноду. Таким образом, через нагрузку протекает электрический ток.

Вкратце, то, что происходит внутри элемента во время зарядки, например, заключается в том, что на стороне катода оксид лития-кобальта отдает часть своих ионов лития, превращаясь в соединение с меньшим содержанием лития, которое все еще химически стабильно.

Со стороны анода эти ионы лития внедряются или интеркалируют в междоузлиях молекулярной решетки графита.

Во время зарядки и разрядки необходимо учитывать несколько моментов. Внутри литий-ионы должны пересекать несколько интерфейсов во время зарядки и разрядки. Например, во время зарядки ионы лития должны транспортироваться от объема катода к катоду и границе раздела электролита.

Оттуда он должен пройти через электролит, через сепаратор к границе между электролитом и анодом. Наконец, он должен диффундировать от этой поверхности к основной части материала анода.

Скорость переноса заряда через каждую из этих различных сред определяется ее ионной подвижностью. На это, в свою очередь, влияют такие факторы, как температура и концентрация ионов.

На практике это означает, что во время зарядки и разрядки необходимо соблюдать меры предосторожности, чтобы не допустить превышения этих ограничений.

Советы по зарядке литий-ионных аккумуляторов

Для зарядки литий-ионных аккумуляторов требуется специальный алгоритм зарядки. Это осуществляется в несколько этапов, описанных ниже:

Непрерывная зарядка (предварительная зарядка)

Если уровень заряда аккумулятора очень низкий, то он заряжается с пониженным постоянным током, который обычно составляет около 1/10 полной скорости зарядки, описанной далее.

В течение этого времени напряжение батареи увеличивается, и когда оно достигает заданного порога, скорость заряда увеличивается до полной скорости зарядки.

Обратите внимание, что некоторые зарядные устройства разбивают этот этап непрерывной зарядки на две стадии: предварительная зарядка и непрерывная зарядка, в зависимости от того, насколько низкое напряжение батареи изначально.

Полная стоимость

Если напряжение батареи изначально достаточно высокое или если батарея заряжена до этого момента, то инициируется стадия полной скорости зарядки.

Это также этап зарядки постоянным током, и на этом этапе напряжение батареи продолжает медленно расти.

Таперный заряд

Когда напряжение батареи достигает максимального зарядного напряжения, начинается этап постепенного заряда. На этом этапе зарядное напряжение поддерживается постоянным.

Это важно, поскольку литий-ионные аккумуляторы могут катастрофически выйти из строя, если их заряжать при более высоком напряжении, чем их максимальное напряжение. Если это зарядное напряжение поддерживается постоянным на этом максимальном значении, то зарядный ток будет медленно уменьшаться.

Отключение/прекращение

Когда зарядный ток упадет до достаточно низкого значения, зарядное устройство отключится от аккумулятора. Обычно это значение составляет 1/10 или 1/20 тока полной зарядки.

Важно не заряжать литий-ионные аккумуляторы плавающим зарядом, так как это снизит производительность и надежность аккумулятора в долгосрочной перспективе.

Хотя в предыдущем разделе описаны различные этапы начисления платы, конкретные пороговые значения для различных этапов не указаны. Начиная с напряжения, каждый тип литий-ионного аккумулятора имеет собственное напряжение на клеммах полного заряда.

Для наиболее распространенных типов LCO и NCM это 4,20 В. Есть также модели с 4,35 В и 4,45 В.

Для типов LFP это 3,65 В. Пороговое значение от непрерывного заряда до полного заряда составляет около 3,0 и 2,6 для типов LCO/NMC и LFP соответственно.

Зарядное устройство, предназначенное для зарядки одного типа литий-ионных аккумуляторов, например LCO, нельзя использовать для зарядки другого типа, например LFP-аккумулятора.

Однако обратите внимание, что существуют зарядные устройства, которые можно настроить для зарядки нескольких типов. Как правило, для каждого типа аккумуляторов в конструкции зарядного устройства требуются различные номиналы компонентов.

Что касается зарядного тока, требуется небольшое пояснение. Емкость литий-ионного аккумулятора традиционно указывается как мАч, или миллиампер-час, или Ач. Эта единица сама по себе на самом деле не является единицей емкости накопления энергии. Чтобы получить фактическую энергоемкость, необходимо учитывать напряжение батареи.

На рис. 3 показана типичная кривая разряда литий-ионной батареи типа LCO. Поскольку напряжение разряда имеет наклон, среднее напряжение батареи на всей кривой разряда принимается за напряжение батареи.

Это значение обычно составляет от 3,7 до 3,85 В для типов LCO и 2,6 В для типов LFP. Умножение значения мА·ч на среднее напряжение батареи дает мВтч, или емкость аккумулятора, для данной батареи.

Ток зарядки аккумулятора выражается в C-скорости, где 1C в числовом выражении соответствует емкости аккумулятора в мА. Таким образом, батарея емкостью 1000 мАч имеет значение C, равное 1000 мА. По разным причинам максимально допустимая скорость зарядки литий-ионных аккумуляторов обычно составляет от 0,5C до 1C для типов LCO и 3C и выше для типов LFP.

Конечно, батарея может состоять как минимум из одного элемента, но может состоять из множества элементов в виде комбинации последовательно соединенных групп параллельно соединенных элементов.

Приведенный выше сценарий относится к одноэлементным батареям. В случаях, когда батарея состоит из нескольких элементов, зарядное напряжение и зарядный ток должны быть согласованы.

Таким образом, зарядное напряжение умножается на количество последовательно соединенных ячеек или группы ячеек, и, аналогично, зарядный ток умножается на количество параллельно соединенных ячеек в каждой последовательно соединенной группе.

Рисунок 3. Типичная кривая разряда батареи типа LCO

Одним очень важным дополнительным фактором, который необходимо учитывать при зарядке литий-ионных аккумуляторов, является температура. Литий-ионные аккумуляторы нельзя заряжать при низких или высоких температурах.

При низких температурах ионы лития движутся медленно. Это может привести к скоплению ионов лития на поверхности анода, где они в конечном итоге превратятся в металлический литий. Поскольку это образование металлического лития принимает форму дендритов, оно может пробить сепаратор, вызывая внутренние короткие замыкания.

В верхней части температурного диапазона проблема заключается в избыточном выделении тепла. Зарядка аккумулятора не на 100% эффективна, и во время зарядки выделяется тепло. Если внутренняя температура активной зоны становится слишком высокой, электролит может частично разлагаться и превращаться в газообразные побочные продукты. Это вызывает необратимое снижение емкости аккумулятора, а также вздутие.

Типичный диапазон температур для зарядки литий-ионных аккумуляторов составляет от 0 °C до 45 °C для высококачественных аккумуляторов и от 8 °C до 45 °C для более дешевых аккумуляторов. Некоторые батареи также допускают зарядку при более высоких температурах, примерно до 60 °C, но со сниженной скоростью зарядки.

Все эти соображения обычно выполняются с помощью специальных микросхем зарядного устройства, и настоятельно рекомендуется использовать такие микросхемы независимо от фактического источника зарядки.

Зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов

Зарядные устройства для литий-ионных аккумуляторов можно разделить на две основные категории: линейные и импульсные зарядные устройства. Оба типа могут соответствовать ранее заявленным требованиям относительно надлежащей зарядки литий-ионных аккумуляторов. Однако у каждого из них есть свои преимущества и недостатки.

Преимуществом линейного зарядного устройства является его относительная простота. Однако его главный недостаток — неэффективность. Например, если напряжение питания 5 В, напряжение аккумулятора – 3 В, а ток зарядки – 1 А, линейное зарядное устройство будет рассеивать 2 Вт.

Если это зарядное устройство встроено в продукт, придется рассеивать много тепла. Именно поэтому линейные зарядные устройства в основном используются в тех случаях, когда максимальный зарядный ток составляет около 1А.

Для больших аккумуляторов предпочтительны импульсные зарядные устройства. В некоторых случаях они могут иметь уровень эффективности до 90%. Недостатками являются его более высокая стоимость и несколько большие требования к площади схемы из-за использования катушек индуктивности в его конструкции.

Возможность выбора источника оплаты

Разные приложения могут использовать разные источники зарядки. Например, это может быть обычный адаптер переменного тока с выходом постоянного тока или блок питания. Это также может быть порт USB от настольного компьютера или подобных устройств. Это также может быть сборка солнечной панели.

Из-за возможностей передачи энергии от этих различных источников необходимо дополнительно рассмотреть конструкцию фактической схемы зарядного устройства, помимо простого выбора линейного или импульсного зарядного устройства.

Самый простой случай — когда источник зарядки обеспечивает регулируемый выход постоянного тока, например адаптер переменного тока или блок питания. Единственным требованием является выбор зарядного тока, который не превышает максимальную скорость зарядки аккумулятора или мощность источника питания.

Зарядка от источника USB требует немного большего внимания. Если USB-порт относится к типу USB 2.0, он будет соответствовать стандарту USB для зарядки аккумуляторов 1.2 или BC 1.2.

Для этого требуется, чтобы любая нагрузка, в данном случае зарядное устройство, не потребляла более 100 мА, если нагрузка не связана с источником. При этом допускается брать 500мА на 5В.

Если используется USB-порт USB 3.1, то он может соответствовать USB BC1.2, или в конструкцию может быть включена схема активного контроллера для согласования большей мощности в соответствии с протоколом USB Power Delivery или USB PD.

Солнечные батареи в качестве источника зарядки представляют собой еще один набор проблем. Напряжение-ток солнечного элемента, или VI, чем-то похож на обычный диод. Обычный диод не будет проводить заметный ток ниже своего минимального значения прямого напряжения, а затем может пропускать гораздо больший ток лишь при небольшом увеличении прямого напряжения.

С другой стороны, солнечный элемент может обеспечивать ток до определенного максимума при относительно неизменном напряжении. При превышении этого значения напряжения напряжение резко падает.

Поэтому солнечное зарядное устройство должно иметь схему управления питанием, которая модулирует ток, потребляемый солнечным элементом, чтобы не вызывать слишком низкое выходное напряжение.

К счастью, существуют микросхемы, такие как TI BQ2407x, BQ24295 и другие, которые могут работать с одним или несколькими из вышеперечисленных источников.

Настоятельно рекомендуется потратить время на поиск подходящего зарядного чипа, а не разрабатывать зарядное устройство с нуля.

Наконец, не забудьте загрузить бесплатный PDF-файл: Полное руководство по разработке и продаже нового электронного оборудования. Вы также будете получать наш еженедельный информационный бюллетень, в котором мы делимся премиум-контентом, недоступным в нашем блоге.

Чтобы литий-ионные, литий-ионные аккумуляторы работали правильно, их необходимо правильно заряжать, иначе они не будут работать должным образом.

Ионно-литиевые аккумуляторы Li-ion обеспечивают превосходный уровень производительности. Чтобы получить от них максимальную пользу, их необходимо правильно заряжать.

Если зарядка ионно-литиевых аккумуляторов не производится должным образом, работа аккумуляторов может быть нарушена, и они могут даже выйти из строя, поэтому следует соблюдать осторожность.

Правильная зарядка литий-ионных аккумуляторов обеспечивает наилучшую производительность и максимальный срок службы. В результате зарядка литий-ионных аккумуляторов обычно осуществляется в сочетании с системой управления батареями. Это контролирует уровень заряда, разряда и скорости, с которой они могут происходить.

Литий-ионный аккумулятор электроинструмента заряжается

Химия заряда/разряда ионов лития

Проще говоря, зарядку и разрядку ионно-литиевой батареи объяснить относительно легко.

Когда литий-ионный элемент или аккумулятор разряжаются, он подает ток во внешнюю цепь. Внутри анода в процессе окисления выделяются ионы лития, которые переходят к катоду. Электроны из созданных ионов текут в противоположном направлении, вытекая в электрическую или электронную цепь, на которую подается питание. Затем ионы и электроны воссоединяются на катоде.

Этот процесс высвобождает химическую энергию, которая хранится в клетке в виде электрической энергии.

Во время цикла зарядки реакции происходят в обратном направлении, когда ионы лития проходят от катода через электролит к аноду. Электроны, обеспечиваемые внешней цепью, затем соединяются с ионами лития, обеспечивая накопленную электрическую энергию.

Следует помнить, что процесс зарядки не является полностью эффективным — часть энергии теряется в виде тепла, хотя типичными являются уровни эффективности около 95 % или чуть меньше.

Электронные условия зарядки литий-ионного аккумулятора

С точки зрения электроники процесс зарядки ионно-литиевых аккумуляторов сильно отличается от зарядки никель-кадмиевых или никель-металлогидридных аккумуляторов.Использовать одни и те же электронные схемы для их зарядки невозможно по разным причинам.

Зарядка ионно-литиевых аккумуляторов зависит от напряжения, а не от тока. Таким образом, зарядка ионно-литиевых аккумуляторов больше похожа на зарядку свинцово-кислотных аккумуляторов.

Одно из отличий от зарядки ионно-литиевых аккумуляторов заключается в том, что они имеют более высокое напряжение на элемент — от 3,7 до 4 В на элемент по сравнению с 1,2 В.

Ионно-литиевые элементы также требуют гораздо более жестких допусков по напряжению при обнаружении полного заряда, и после полной зарядки они не допускают и не требуют непрерывного или плавающего заряда. Особенно важно иметь возможность точно определять состояние полного заряда, потому что ионно-литиевые батареи не терпят перезарядки. Они перегреваются, и это сокращает срок их службы, но в экстремальных условиях это может привести к их возгоранию или даже взрыву.

Типичная кривая разряда бытового ионно-литиевого аккумулятора

Большинство литий-ионных аккумуляторов, ориентированных на потребителя, заряжаются до напряжения 4,2 В на элемент с допуском около ± 50 мВ на элемент. Зарядка сверх этого значения вызывает нагрузку на элемент и приводит к окислению, что сокращает срок службы и емкость. Это также может вызвать проблемы с безопасностью.

Приведенная выше кривая разряда является типичной для потребительского литий-ионного элемента на основе оксида кобальта. Разные типы ионно-литиевых элементов имеют немного разные напряжения, но все они имеют одинаковую форму кривых разряда.

Зарядку ионно-литиевых аккумуляторов можно разделить на два основных этапа:

Заряд постоянным током. На первом этапе зарядки литий-ионного аккумулятора или элемента контролируется ток заряда. Обычно это будет от 0,5 до 1,0 C. (Примечание: для батареи емкостью 2 000 мА·ч скорость заряда составит 2 000 мА при скорости заряда C).

Для потребительских элементов и аккумуляторов LCO рекомендуется максимальная скорость зарядки 0,8 C.

На этом этапе напряжение на ионно-литиевом элементе увеличивается для заряда постоянным током. На этом этапе время зарядки может составлять около часа.

Заряд насыщения: Через некоторое время напряжение достигает пика около 4,2 В для элемента LCO. В этот момент элемент или батарея должны войти во вторую стадию зарядки, известную как заряд насыщения. Поддерживается постоянное напряжение 4,2 В, а ток будет неуклонно падать.

Конец цикла зарядки достигается, когда ток падает примерно до 10 % от номинального тока. Время зарядки на этом этапе может составлять около двух часов в зависимости от типа элемента, производителя и т. д.

Эффективность зарядки, т. е. количество заряда, сохраняемого аккумулятором или элементом, по сравнению с количеством заряда, поступающего в элемент, является высоким. Может быть достигнута эффективность заряда от 95 до 99%. Это отражается в относительно низких уровнях повышения температуры клеток.

Многие элементы в настоящее время предназначены для быстрой зарядки, хотя в пределах рейтинга для элемента этот процесс может сократить срок службы аккумулятора, и необходимо соблюдать баланс между удобством и сроком службы.

Меры предосторожности при зарядке ионно-литиевых аккумуляторов

Учитывая количество энергии, хранящейся в ионно-литиевых батареях, природу их химического состава и т. д., необходимо убедиться, что батареи заряжаются надлежащим образом и с помощью соответствующего зарядного устройства и оборудования.

Зарядные устройства для ионно-литиевых аккумуляторов или аккумуляторные блоки включают в себя различные механизмы для предотвращения повреждений и опасностей. Часто эти механизмы предусмотрены внутри аккумуляторной батареи, которую затем можно использовать с простым зарядным устройством.

Механизм, требуемый ионно-литиевым аккумулятором для зарядки и разрядки, включает:

Ток заряда: ток заряда должен быть ограничен для литий-ионных аккумуляторов. Обычно максимальное значение составляет 0,8°C, но чаще устанавливаются более низкие значения, чтобы дать некоторый запас. Для некоторых аккумуляторов возможна более быстрая зарядка.

Даже аккумуляторы или элементы, способные выдерживать более высокие токи зарядки, влияют на срок службы. Если можно снизить скорость зарядки и не использовать быструю зарядку, это увеличит срок службы элемента.

Литий-ионные элементы и батареи лучше всего работают при комнатной температуре, поэтому зарядка в пределах указанных температур обеспечивает наилучшую зарядку, а также продлевает срок службы батареи.

Ток разряда. Требуется защита от тока разряда для предотвращения повреждения или взрыва в результате короткого замыкания. Для конкретного аккумуляторного блока существует ограничение, которое не следует превышать. Ввиду огромного запаса энергии превышение лимитов может привести к пожару или даже к мощному взрыву.

Обычно в аккумуляторных батареях есть схема управления зарядом/разрядом, чтобы гарантировать, что допустимый ток не будет превышен, но всегда лучше не перенапрягать их.

Разные типы литий-ионных аккумуляторов могут обеспечивать разные возможности, поэтому фактический выбор типа литий-ионного аккумулятора зависит от области применения и необходимого тока/разрядной способности.

При использовании литий-ионного аккумулятора обязательно используйте зарядное устройство производителя, поскольку в зарядном устройстве и аккумуляторном блоке могут использоваться разные элементы защиты в зависимости от конструкции.

Циклы заряда-разряда литий-ионного аккумулятора

Срок службы ионно-литиевых элементов и аккумуляторов часто определяется количеством циклов заряда-разряда, которые они выдерживают до того, как их способность удерживать заряд упадет.

Несмотря на то, что литий-ионные элементы имеют так называемый календарный срок службы, т. е. их срок службы с точки зрения прошедшего времени, даже если они не используются, еще одним важным фактором является количество циклов заряда-разряда, которые они могут выдержать. Обычно это, а не календарный срок службы, означает конец срока службы литий-ионного элемента.

Другие характеристики литий-ионного аккумулятора свидетельствуют об улучшении по сравнению с конкурентами. Было показано, что он способен выдержать около 1000 циклов заряда/разряда при очень осторожном использовании и при этом сохранить 80 % своей первоначальной емкости.

Ni-Cad выдерживают около 500 циклов, хотя это сильно зависит от способа их использования. Плохо обработанная ячейка может дать только 50 или 100. Ячейки NiMH еще хуже, и это одно из основных направлений развития. В лучшем случае они способны дать 500 циклов, прежде чем их емкость упадет до 80 % от начального уровня заряда.

Также обнаружено, что ионно-литиевые элементы и батареи не страдают от эффекта памяти, который был очевиден для Ni-Cad. Эффект памяти становился очевидным, если при каждом использовании элементы разряжались лишь частично. Со временем они «запоминали» уровень разрядки и их емкость соответственно уменьшалась. В результате было целесообразно периодически производить полную разрядку элементов. Это не относится к ионно-литиевым элементам.

Зарядка и разрядка ионно-литиевых аккумуляторов имеют ключевое значение для их работы и долговременной работы. Обычно микросхемы управления батареями встроены в блоки батарей. Он управляет зарядкой и разрядкой литий-ионной батареи. Таким образом, пользователь может подключить аккумулятор к зарядному устройству и оставить его заряжаться, зная, что его не нужно отключать через определенное время. Чип управления батареей также гарантирует, что батарея не разрядится слишком сильно. Проблема заключается в том, чтобы убедиться, что система управления батареями понимает точное состояние заряда батареи.

Читайте также:

  
• Что делать, если встроенная видеокарта
  
• Приложение "Службы и контроллеры" загружает процессор Windows 10
  
• Как охладить жесткий диск на компьютере
  
• Видеокарта показывает температуру 511
  
• Стабилизированный источник питания