Зарядка литиевых аккумуляторов своими руками: Схемы самодельных зарядок для литий-ионных аккумуляторов (18650, 14500 li-ion), как правильно заряжать литий-полимерные АКБ

Содержание

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов своими руками Все про Li-ion (литиевые аккумуляторы)

Зарядное устройство литиевой аккумуляторной батареи является источником стабильного напряжения на 4,2 В, который отдает зарядный ток, составляющий 50–100% емкости АКБ (0,5С-1С). К примеру, для накопителя емкостью 1000 мАч необходим зарядник, выдающий ток 500–1000 мА. Если вы решили создать зарядное Li-Ion аккумулятора своими руками, обратите внимание на особенности процесса подзарядки таких накопителей (алгоритм СС/CV):

  • вначале зарядный ток неизменен;
  • когда уровень напряжения АКБ достигает значения Umax, зарядное устройство переходит в режим постоянного напряжения, а ток при этом асимптотически приближается к нулю.

Максимальное напряжение таких батарей зачастую составляет 4,2 В, а номинальное – примерно 3,7 В. До максимального значения заряжать литий-ионные аккумуляторы нежелательно, поскольку перезаряд (как и переразряд) негативно сказывается на их долговечности и характеристиках. При снижении выходного напряжения до значения в 4,1 В емкость устройства уменьшится практически на 10%, зато число циклов заряд/разряд увеличится примерно вдвое. Также при использовании Li-Ion батарей следует избегать падения напряжения ниже минимума в 2,7 В. 

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов своими руками 

Для создания зарядника для Li-Ion батареи можно использовать упрощенную схему. Созданное по этой схеме ЗУ практически не нуждается в регулировке. Нужно только:

  • с помощью R8 задать Uвых=4,2 В без подсоединенной батареи;
  • с помощью R4 и R6 установить зарядный ток.

В качестве индикатора работы ЗУ используется светодиод типа «заряд» – при подсоединении севшей АКБ он горит, а при восполнении заряда угасает.

Теперь рассмотрим последовательность создания зарядки для литий ионных аккумуляторов своими руками:

  1. Берем подходящий корпус и в нем размещаем блок питания на 5 В и элементы вышеприведенной схемы в указанном порядке.
  2. Для подсоединения заряжаемого аккумулятора вырезаем 2 полоски из латуни и устанавливаем их на гнезда. С помощью гайки настраиваем дистанцию между подключаемыми к АКБ контактами.
  3. Чтобы иметь возможность менять полярность на гнездах ЗУ, можно дополнительно предусмотреть переключатель. 

Создание зарядного устройства с возможностями защиты

Поскольку Li-Ion батареи чувствительны к чрезмерному повышению напряжения при зарядке (происходит нагрев, обильное образование газа, возможно вздутие и даже взрыв), в фирменных зарядных устройствах содержатся специальные микросхемы, обеспечивающие контроль напряжения. Поэтому для создания ЗУ для Li-Ion аккумуляторов своими руками лучше всего использовать более сложную схему.

Созданное по такой схеме ЗУ позволяет подзаряжать АКБ с напряжением 3,6 или 3,7 В. Вначале зарядка производится постоянным током 245 или 490 мА (его установка осуществляется ручным способом), а при возрастании напряжения на АКБ до 4,1 или 4,2 В подзарядка далее осуществляется при неизменном напряжении и снижающемся токе. При падении тока заряда до заданного вручную граничного значения (в пределах 20–350 мА) подзарядка устройства автоматически останавливается.

Постоянное значение тока обеспечивает стабилизатор LM317, поддерживающий UR9=1,25 В. Аналогичный элемент TL431, подсоединенный к управляющему входу LM317, ограничивает Uвых. Ограничивающее напряжение подбирается с использованием делителя на R12…R14. Ограничение тока питания элемента TL431 обеспечивает сопротивление R11.

На транзисторе VT2, элементах R5…R8 и усилителе DA2.2 стабилизатора LM358 создается преобразователь I/U. Его выходное напряжение рассчитывается так: UR5= (IR9*R9*R5)/R6. С сопротивления R5 напряжение идет на вход ОУ DA2.1, а с регулируемого делителя на R2…R4 – на инвертирующий вход компаратора. Элемент LM78L05 стабилизирует напряжение питания делителя. Пороговое значение переключения компаратора определяется величиной R3.

Данный вариант более сложен в реализации и требует от исполнителя наличия соответствующих знаний и опыта. Зато созданное по ней зарядное устройство по функционалу будет практически идентично фирменному аналогу.

Предлагаем вам также ознакомиться со схемой электровелосипеда, которая позволяет самостоятельно создать велосипед с электроприводом.

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов по своему строению и принципу работы весьма схоже с ЗУ для свинцово-кислотных. Каждая банка литиевых АКБ имеет более высокое значение напряжения. Кроме того, они более чувствительные к перенапряжению и перезаряду.

Литий-ионный аккумулятор 18650

Банка – это один живительный элемент. Получил он свое название от схожести с жестяными банками для напитков. Для литиевых элементов наиболее распространенным вариантом является 18650. Это число легко расшифровывается. В миллиметрах указана толщина – 18 и высота – 65.

Если другие виды аккумуляторов позволяют иметь больший разбег в подаваемом напряжении при зарядке, то для литиевых этот показатель должен быть намного точнее. Во время достижения на аккумуляторе напряжения в 4.2 вольта зарядка должна останавливаться, перенапряжение для них опасно. Допускается отклонение от нормы в 0.05 вольта.

Среднее время заряда для литиевых батарей – 3 часа. Это усреднённый показатель, все же каждый отдельный аккумулятор имеет свое значение. От качества зарядки литиевых АКБ зависит срок их службы.

Условия длительного хранения

Совет. Хранить литий-ионные аккумуляторы необходимо правильно. Если устройство долгое время не будет использоваться, то батарею лучше из него вынуть.

Если оставить хранится полностью заряженный аккумуляторный элемент, то он может навсегда утратить часть своей ёмкости. Если оставить хранится разряженную батарею, она может больше не восстановиться. Значит, даже попытавшись ее реанимировать, можно потерпеть фиаско. Поэтому оптимальный рекомендуемый заряд для хранения литиевых банок – 30-50%.

Использование оригинальных зарядных устройств

Некоторые производители указывают, что использование неродных зарядных устройств для li ion аккумуляторов может привести к потере гарантии на устройство. Все дело в том, что плохое зарядное может погубить аккумуляторный элемент. Литиевые батареи могут портиться из-за неправильного напряжения или некорректного затухания в конце зарядки. Поэтому использование оригинального зарядного устройства – это всегда лучший выбор.

Заводское ЗУ

Опасность перезаряда и полного разряда

Исходя из устройства литиевых батарей, не рекомендуется допускать их полной разрядки или перезарядки.

К примеру, никель-кадмиевые батареи имеют эффект памяти. Это значит, что неправильный режим зарядки приводит к потере ёмкости. Неправильным считается режим, когда подзаряжается батарея, которая не полностью разрядилась. Если начать заряжать ее в не полностью разряженном состоянии, она может терять свою ёмкость. Зарядные устройства для таких батарей производятся со специальными режимами работы, которые сначала разряжают батарею до нужного уровня, потом начинают ее подзаряжать.

Литиевые батареи не требуют такого хлопотного обслуживания. Эффекта памяти у них нет, но они боятся полной разрядки. Поэтому их лучше подзарядить, когда появляется возможность, не дожидаясь полного разряда. Но и перезаряд для них неприемлем. Поэтому оптимальным будет не допускать разряда ниже 15 % и заряда более 90%. Так можно увеличить срок службы батареи.

Это касается только батарей без защиты. Если у аккумуляторов есть защита, реализованная на отдельной плате, то она отсекает заряд сверх меры, если разряд достигает минимального уровня, то отключает устройство. Обычно это показатели более 4,2 Вольта и 2.7 Вольта, соответственно.

Отношение к перепадам температур

Рабочий диапазон температур для литиевых батарей невелик – от +5 до +25 градусов по Цельсию. Сильные перепады температур нежелательны для их работы.

Самодельный зарядник для литий-ионных аккумуляторов

При перезаряде температура аккумулятора может повышаться, что нехорошо сказывается на его работе. Низкая температура также действует отрицательно. Подмечено, что на морозе аккумуляторы быстрее теряют свой заряд и садятся, хотя в тепле устройство показывает полную зарядку.

Особенности литиевых батарей

Li-ion АКБ являются очень неприхотливыми в эксплуатации. При бережном обращении они прослужат около 3-4 лет. Однако стоит ориентироваться на то, что даже если аккумуляторы не используются, они медленно умирают. Поэтому запасаться аккумуляторами к устройству впрок не совсем резонно. 2 года – это нормальное время от момента производства. Если прошло больше, то это могут быть уже вышедшие из строя батареи.

Интересно. Самый распространенный размер банки 18650 в среднем имеет ёмкость в 3500 мАч. Нормальная цена для такой батареи – 3-4 доллара. Поэтому производители, обещающие за 3 доллара Power bank объемом 10000 мАч, мягко говоря, обманывают. Хорошо, если там будет хотя бы 3000 мАч.

Как правильно заряжать полимерный аккумулятор

Полимерный аккумулятор от ионного отличается только внутренней консистенцией наполнителя. Правила зарядки и эксплуатации применимы к обоим видам этих литиевых батарей.

Как сделать зарядное устройство для литиевого аккумулятора своими руками

Схема самодельной зарядки для литиевых аккумуляторов

Рассмотрим одну из самых простых схем зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов. Самодельная схема зарядки реализована на микросхеме, которая выступает как стабилитрон и контроллер заряда, и транзисторе. База транзистора соединяется с управляющим электродом микросхемы. Литиевые батареи не любят перенапряжения, поэтому на выходе обязательно нужно выставить рекомендуемое напряжение в 4.2 В. Достичь этого можно с помощью регулировки микросхемы сопротивлениями R3 R4, которые имеют значения 3кОм и 2.2 кОм, соответственно. Подключаются они к первой ножке микросхемы. Регулировка задаётся единожды, и напряжение остаётся постоянным.

Чтобы можно было подстроить напряжение на выходе на месте резистора R, устанавливают потенциометр. Производить подстройку нужно без нагрузки, то есть без самого аккумулятора. С его помощью можно точно подстроить напряжение на выходе, равное 4,2 В. Потом вместо потенциометра можно поставить резистор полученного номинала.

Резистор R4 используется, чтобы открывать базу транзистора. Номинал этого сопротивления – 0,22 кОм. Когда аккумулятор будет заряжаться, его напряжение будет расти. От этого электрод управления на транзисторе будет повышать сопротивление эмиттер-коллектора. Это, в свою очередь, будет понижать ток, идущий на аккумулятор.

Ещё нужно отрегулировать ток зарядки. Для этого используют сопротивления R1. Без этого резистора не загорится светодиод, он отвечает за индикацию процесса зарядки. В зависимости от необходимого тока, подбирают резистор номиналом от 3 до 8 Ом.

Как выбрать аккумулятор

Отдельное внимание нужно уделить производителям аккумуляторов. Существуют зарекомендовавшие себя бренды и какие-то неизвестные аналоги. Иногда недобросовестные производители могут продавать товар, который ниже заявленных характеристик в 3 раза и более.

Обратите внимание! К брендам, получившим популярность, можно отнести Panasonic, Sony, Sanyo, Samsung.

Покупка литиевых аккумуляторов не должна вызвать больших проблем. Купить их можно в местных магазинах электроники, в интернет-магазинах или заказать напрямую из Китая. Не стоит гнаться за дешевизной. Хороший аккумулятор не может стоить очень дёшево. Некоторые производители ставят качественные банки, но плохие платы, отвечающие за питание. Это неминуемо приведет к гибели батареи.

Видео

Солнечная зарядка для литиевого аккумулятора своими руками

Солнечная зарядка для литиевого аккумулятора своими руками

 

«Я его слепила из того, что было» (с) Танич М.


 Мой добрый давнишний друг – турист-водник. Когда-то очень давно, еще в прошлом веке, как говорит мой сын, я подарил другу солнечную батарею для зарядки аккумуляторов видеокамеры.

 

 

 Тогда я купил в Чипе и Дипе пяток солнечных элементов отечественного производства, соединил их последовательно, добавил диод КД213. Получилась батарея с напряжением около 9 вольт и током порядка 300 мА. Механически элементы батареи были соединены полосками синей изоленты, батарея складывалась гармошкой, мой друг сделал для нее самодельный чехол. С тех пор прошло лет 15, батарея эта много раз бывала в походах и с неизменным успехом заряжала разнообразные Ni-Cd аккумуляторы.

Сейчас модно использовать литиевые источники питания как для фото-видео приборов и для фонарей на светодиодах. Все классно, но литиевые элементы требуют осторожного обращения – их надо аккуратно заряжать до напряжения 4.2 вольта, разряжать до определенного напряжения, иначе можно необратимо повредить аккумулятор или устроить пожар.

 В поход мой друг берет налобный фонарь на аккумуляторах 18650. Зарядного механизма в таком фонаре нет, поэтому он попросил меня придумать, как заряжать эти элементы в походных условиях. Попутно есть задача подзарядить телефоны-смартфоны и другие гаджеты.
 Я изучил предложения на Ebay.com, нашел любопытный прибор – аккумулятор емкостью 10000 мач, в одном корпусе с солнечной батареей и электроникой, управляющей зарядом-разрядом аккумулятора и обеспечивающей на двух USB разъемах напряжение 5 вольт при токе до 2А. Цена в 1000 р показалась адекватной, прибор был заказан. Название прибора: Solar Panel Power Bank Charger Battery for Mobile Samsung Iphone5s HTC 10000mAh

 Также я нашел зарядку для 18650, состоящую из отличного корпуса-держателя и встроенного в разъем USB контроллера зарядки. Это стоило примерно 80 р. Этот предмет называется New USB 18650 Battery Function Charger.

 Первоначальная идея состояла в том, что солнечным днем Power bank заряжал внутреннюю батарею, а потом отдавал энергию в 18650 через зарядку.

 Довольно быстро оба прибора приехали из Китая и я приступил к их изучению. Зарядка для 18650 никаких сюрпризов не преподнесла – отличный корпус, заряжает 18650 емкостью 2400 мАч от порта USB током около 300 мА.

 А вот PowerBank оказался с браком. Я измерил его емкость методом полной разрядки постоянным током около 300 мА – оказалось 1200 мАч. При заявленных 10000 мАч – обман.

 Однако корпус был сделан очень добротно! Металлические крышки, все подогнано, в руках ощущается единым целым. Решил разобрать и посмотреть что там внутри.

Внутри оказалась вполне качественная электроника — плата контроллера зарядки литиевого элемента, совмещенная с преобразователем-стабилизатором на 5 вольт 2 А. Установить все типы микросхем не удалось, но сложилось впечатление, что плата сделана для многоэлементной литиевой батареи с индивидуальным контролем заряда-разряда каждого элемента. Однако все это богатство осталось не использовано, литиевые элементы просто соединены параллельно. Кстати сказать – пайка этой батареи развалилась буквально от касания паяльником… Разглядел потом отдельно элементы – имхо откровенный брак…

 Преобразователь на 5 вольт сделан на современной микросхеме, работающей на частоте 500 кгц.

 Попутно измерил максимальный отдаваемый ток – получилось 1.6А. При заявленных 2А – вполне адекватно.

На фото показана разрядная цепь. Проволочный переменный резистор 33 ома, два параллельно соединенных резистора по 2 ома (1 ом суммарно) для контроля тока разряда.

 Поскольку в PowerBank имеется стабилизатор 5 в — то потребляемый ток достаточно выставить в начале эксперимента один раз.
 Также на плате имеется светодиодный индикатор уровня зарядки батареи, работающий и в режиме разрядки и в режиме зарядки. Как водится – ярко синего «вырви глаз» цвета.

 В общем, все хорошо, кроме батареи.

 Списался с продавцом, потребовал вернуть часть денег за бракованную батарею. Продавец попытался смутить меня якобы неверной методикой измерения емкости – мол я не учел потери, но после моего второго письма, где я разложил все по полочкам – вернул часть денег.

 Раз уж я разобрал PowerBank – решил попробовать, как он будет работать с 18650 и старой солнечной батареей. Результаты натурного эксперимента оказались вполне обнадеживающими: контроллер совершенно нормально работал с 18650, а солнечная батарея 15-ти летней давности обеспечивала зарядный ток около 370 мА. Измерение производилось в Москве 10 марта. Полагаю, что летнее Солнце даст еще больший ток заряда.

Измерение тока заряда-разряда производилось путем установки резистора номиналом 0.1 ом последовательно в цепь аккумулятора. Резистор 0.1 ом в моем случае состоял из двух параллельно включенных 0.2 ома. Мультиметром измерялось падение напряжения на этом резисторе. Ток пересчитывался из милливольт в миллиамперы умножением на 10.

Измерил ток, отдаваемый родным солнечным элементом – он оказался существенно ниже, впрочем, вполне ожидаемо – площадь поверхности намного меньше.

 Таким образом, оптимальная конструкция стала выглядеть как держатель для 18650, обрезанный корпус с платой и отдельно подсоединяемая солнечная батарея. На держателе 18650 имеется штыревой разъем, ответную часть я отрезал от USB разъема и припаял к солнечной батарее. Из держателя 18650 выходит 4 провода – два от собственно батареи и два от солнечного элемента. Изолента в этот раз использована черного цвета, синяя прослужила 20 лет и находится в отличном состоянии, посмотрим, как поведет себя черная.

 Пара часов с дремелем, дрелью и слесарными ножницами дали мне вот такую конструкцию:

В полностью собранном виде:

Получилась система, которая умеет заряжать 18650 от источника 5 вольт (USB) и солнечной батареи, умеет отдавать стабильные 5 вольт для заряда разнообразных гаджетов, благо в комплект PowerBank входило несколько переходников. Выявился глюк – если устройство долго находится без батареи – оно не включается от кнопки. Оказалось, что глюк обходится, если один-два раза вынуть-вставить аккумулятор.

 Теперь это устройство будет испытано в очередном походе по Восточным или Западным Саянам или еще по какому-нибудь экзотическому месту России.

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов

Изобретения и использование инструмента с источниками автономного питания стало одним из визитных карточек нашего времени. Разрабатывается и внедряются всё новые активные компоненты, улучшающие работу батарейных сборок. К сожалению аккумуляторы не могут работать без подзарядки. И если на устройствах, имеющих постоянный доступ электросети вопрос решается встроенными источниками, то для мощных источников питания, например, шуруповерта, необходимо отдельные зарядные устройства для литиевых аккумуляторов с учетом особенности различных типов аккумуляторов.

Последние годы всё активнее используются изделия на литий-ионном активном компоненте. И это вполне понятно, так – как эти источники питания зарекомендовали себя с очень хорошей стороны:

  • у них отсутствует эффект памяти;
  • практически полностью ликвидирован саморазряд;
  • могут работать при минусовых температурах;
  • хорошо удерживают разряд.
  • количество доведен до 700 циклов.

Но, каждый тип батарей имеет свои особенности. Так, литий – ионный компонент требует конструкцию элементарных батареек с напряжением 3, 6В, что требует некоторые индивидуальные особенности для подобных изделий.

Особенности восстановления

При всех достоинствах литий-ионных аккумуляторах у них есть свои недостатки – это возможность внутреннего замыкания элементов при перенапряжении зарядки из – за активные кристаллизации лития в активном компоненте. Также имеется ограничение по минимальному значению напряжения, которое приводит к невозможности приема электронов активным компонентом. Чтобы исключить последствия, батарея оснащается внутренними контроллером, которое разрывает цепь элементов с нагрузкой при достижении критических значений. Хранятся такие элементы лучше всего при зарядке 50 % при +5 – 15° С. Еще одно из особенностей литий-ионных аккумуляторов является то, что время эксплуатации батарейки зависит от времени ее изготовления, вне зависимости от того была ли она в эксплуатации или нет, или другими словами подвержена “эффекту старения”, который ограничивает сроком эксплуатации – пять лет.

Зарядка литий – ионных аккумуляторов

Простейшее устройство зарядки одного элемента

Для того чтобы понять более сложные схемы зарядки литий – ионных аккумуляторов, рассмотрим простое зарядное устройство для литиевых аккумуляторов, точнее для одной батарейки.

Основа схемы оставляет управление: микросхема TL 431 (выполняет роль регулируемого стабилитрона) и одном транзисторе обратной проводимости.
Как видно из схемы управляющий электрод TL431 включен в базу транзистора. Настройка аппарата сводится к следующему: нужно на выходе устройства установить напряжение 4,2В – это устанавливается регулировкой стабилитрона подключением на первую ножку сопротивления R4 – R3 номиналом 2,2 кОм и 3 кОм. Эта цепочка отвечает за регулировку выходного напряжения, регулировка напряжения устанавливается только один раз и является стабильной.

Далее регулируется ток заряда, регулировка производится сопротивлением R1 (на схеме номиналом 3Ом) в случае, если эмиттер транзистора будет включён без сопротивления, тогда входное напряжение будет и на клеммах зарядки, то есть – это 5В, что может не соответствовать требованиям.

Так же, в этом случае не будет светиться светодиод, а он сигнализирует об протекании процесса насыщения током. Резистор может быт номиналом от 3 до 8 Ом.
Для быстрой подстройки напряжение на нагрузке, сопротивление R3 можно установить регулируемое (потенциометр). Напряжение настраивается без нагрузки, то есть, без сопротивления элемента, номиналом 4, 2 – 4,5В. После достижения необходимого значения достаточно замерить величину сопротивление переменного резистора и поставить основную деталь нужного номинала вместо него. Если нет необходимого номинала его можно собрать из нескольких штук параллельным или последовательным соединением.

Сопротивление R4 предназначено для открывания базы транзистора, его номинал должен быть 220Ом.При увеличении заряда аккумулятора напряжение будет повышаться, управляющий электрод базы транзистора будет увеличивать переходное сопротивление эмиттер – коллектор, уменьшая ток зарядки.

Транзистор можно использовать КТ819, КТ817 или КТ815, но тогда придется ставить радиатор для охлаждения. Также радиатор будет необходим если токи будут превышать 1000мА. В общем, эта классическая схема простейшая зарядки.

Усовершенствование зарядного устройства для литиевых li – ion аккумуляторов

Когда появляется необходимость зарядить литий ионных батарей, соединенных из нескольких спаянных элементарных ячеек, то лучше всего заряжать ячейки отдельно с применением контрольной схемы, которая будет следить за зарядкой индивидуально каждой отдельной батарейкой. Без этой схемы значительное отклонение характеристик одного элемента в последовательно спаянной батареи приведет к неисправности все аккумуляторы, а сам блок будет даже опасным по причине его возможного перегрева или даже воспламенения.

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов 12 вольт. Устройство балансира

Термин балансировка в электротехнике означает режим зарядки, который производит контроль за каждым отдельным элементом, участвующим в процессе, не допуская увеличения или снижения напряжения менее необходимого уровня. Необходимость подобных решений вытекает из особенностей сборок с li – ion. Если из за внутренней конструкции один из элементов зарядиться быстрее остальных, что очень опасно для состояния остальных элементов, и как следствие всей батареи. Схемное решение балансира выполнена таким образом, что элементы схемы берут на себя избыток энергии, тем самым регулируя процесс зарядки отдельной ячейки.

Если сравнивать принципы зарядки никель-кадмиевых аккумуляторов, то они имеют отличия от литий-ионного, прежде всего у Ca – Ni окончание процесса свидетельствует повышение напряжения полярных электродов и уменьшение тока до 0, 01мА. Также перед зарядкой этот источник должен быть разряжен не менее 30% от первоначальной емкости, если не выдержать это условия в батарее возникает «эффект памяти», который снижает емкость батареи.

С Li-Ion активным компонентом все наоборот. Полная разрядка этих элементов может привести к необратимым последствиям и резко понизить способность заряжаться. Нередко некачественные контроллеры могут не обеспечить контроль за уровнем разрядки батареи, что может привести неисправности всей сборки из-за одной ячейки.

Выходом из ситуации может стать применение выше рассмотренной схемы на регулируемом стабилитроне TL431. Нагрузку 1000 мА или больше может обеспечить установка более мощным транзистором. Такие ячейки подключается к непосредственно к каждой ячейке предохранит от неправильной зарядки.

Выбирать транзистор следует от мощности. Мощность подсчитывается по формуле P = U*I, где U – напряжение, I – зарядный ток.

Например, при токовой зарядки 0,45 А транзистор должен иметь рассеиваемую мощность не менее 3,65 В*0,45А = 1,8 Вт. а это для внутренних переходов большая токовая нагрузка , поэтому выходные транзисторы лучше установить в радиаторы.

Ниже приведен примерный расчет величины резисторов R1 и R2 на различное напряжение заряда:

R1 + R2 => U

22,1к + 33к => 4,16 В

15,1к + 22к => 4,20 В

47,1к + 68к => 4,22 В

27,1к + 39к => 4,23 В

39,1к + 56к => 4,24 В

33к + 47к => 4,25 В

Сопротивление R3 – нагрузка на базе транзистора. Его сопротивление может быть 471Ом – 1, 1 кОм.

Но, при реализации этих схемных решений, возникла проблема, как заряжать отдельную ячейку в аккумуляторном блоке? И такое решение нашлось. Если посмотреть на контакты на зарядной ножке, то на выпускаемых в последнее время корпусах с литий-ионными батареями находится такое количество контактов, сколько отдельных ячеек в батарее, естественно, на зарядном устройстве каждый такой элемент подключается отдельный схеме контроллера.

По стоимости подобное зарядное изделие несколько дороже чем линейное устройство с двумя контактами, но это стоит того, особенно если учесть, что сборки с высококачественными литий-ионными компонентами с доходят да половины стоимости самого изделия.

Импульсное зарядное устройство для литиевых li – ion аккумуляторов

Последнее время многие ведущие – фирмы производители ручного инструмента с автономным питанием, широко рекламирует быстро зарядные устройства. Для этих целей были разработаны импульсные преобразователи на основе широтно-импульсно модулированных сигналов (ШИМ) для восстановления блоков питания шуруповертов на основе ШИМ генератора на микросхеме UC3842 собран обратноходовой AS – DS преобразователь c нагрузкой на импульсный трансформатор.

Далее будет рассмотрена работа схема наиболее распространённых источника ( см прилагаемую схему) : сетевое напряжение 220В поступает на диодную сборку D1- D4, для этих целей используются любые диоды мощностью до 2A. Сглаживание пульсаций происходит на конденсаторе C1, где концентрируется напряжение порядка 300В. Это напряжение является питанием для импульсного генератора с трансформатором T1 на выходе.

Первоначальное питание для запуска интегральная микросхемы A1 поступает через резистор R1, после чего включается генератор импульсов микросхемы, которая выдает их на вывод 6. Далее импульсы подаются на затвор мощного полевого транзистора VT1 открывая его. Стоковая цепь транзистора подает питание к первичной обмотке импульсного трансформатора Т1. После чего включатся в работу трансформатор и начинается передача импульсов на вторичную обмотку. Импульсы вторичной обмотки 7 – 11 после выпрямления диодом VT6 используется для стабилизации работы микросхемы A1, которая в режиме полной генерации потребляют гораздо больший ток, чем получает по цепи от резистора R1.

В случае неисправности диодов Д6, источник переходит у режиму пульсации, поочередно запуская работу трансформатор и прекращая его, при этом слышен характерный пульсирующий «писк” посмотрим работу схемы в этом режиме.

Питание через R1 и конденсатор C4 запускают генератор микросхемы. После запуска, для нормальной работы требуется более повышенный ток. При неисправности Д6 дополнительного питания на микросхему не поступает, и генерация прекращается, затем процесс повторяется. Если диод Д6 исправен, сразу включает в работу импульсный трансформатор под полную нагрузку. При нормальном запуске генератора на обмотке 14- 18 появляется импульсный ток 12 – 14В (на холостом ходу 15В). После выпрямления диодом V7 и сглаживания импульсов конденсатором C7 и импульсный ток поступает на зажимы батареи.

Ток 100 мА, не вредит активному компоненту, но повышает время восстановления в 3-4 раза, снижая ее время от 30 мин до1 часа. (источник – журнал интернет издание Радиоконструктор 03-2013)

Внимание! Быстрая зарядка без нежелательных последствий для аккумуляторных батарей возможно только от импульсного источника. Некоторые недобросовестные производители, пользуясь рекламой предлагают купить зарядное устройство убийцу для литиевых аккумуляторов. Это произойдет в том случае, если производитель искусственно повысит постоянный зарядный ток в несколько раз от номинала. В этом случае батарея действительно будут заряжаться быстрее, но время работы в эксплуатации сократится примерно втрое и составит один – максимум два года.

Напомним, что номинальный зарядный ток рассчитывается как 0,1 от полной емкости.

Быстрозарядное устройство G4-1H RYOBI ONE+ BCL14181H
Импульсное устройство для литиевых аккумуляторов 18 вольт производства немецкой компании Ryobi, производитель народная республика Китай. Импульсное устройство подходит для литий-ионных , никель кадмиевых 18В. Рассчитана на нормальную эксплуатацию при температуре от 0 до 50 С. Схемное решение обеспечивает два режима питания по напряжению и стабилизации по току. Импульсная подача тока обеспечивает оптимальную подпитку каждой отдельной батарейки.

Устройство выполнено в оригинальном корпусе из ударопрочной пластмассы. Применено принудительное охлаждение от встроенного вентилятора, с автоматическим включением при достижении 40° С .

Характеристики:

  • Минимальное время заряда 18В при 1,5 А /ч – 60 минут, вес 0,9 кг, габариты: 210 x 86 x 174 мм. Индикация процесса зарядки подсвечивается синим светодиодом, по окончании загорается красный. Имеется диагностика неисправности, которая загорается при неисправности сборки отдельной подсветкой на корпусе.
  • Питание однофазное 50Гц. 220В. Длина сетевого провода 1,5 метра.

Ремонт зарядной станции

Если случилось так, что изделие перестало выполнять свои функции, лучше всего обратиться в специализированные мастерские, но элементарные неисправности можно устранить своими руками. Что делать если не горит индикатор питания, разберем некоторые простые неисправности на примере станции 12В ДА-10/12ЭР.

Это изделие предназначено для работы с литий-ионными батареями 12В, 1,8А. Изделие выполнено с понижающим трансформатором, преобразование пониженного переменного тока выполняется четырех диодные мостовую схему. Для сглаживания пульсации установлен электролитический конденсатор. Из индикации имеется светодиоды сетевого питания, начала и окончание насыщения.

Итак, если не горит сетевой индикатор. Прежде всего необходимо через сетевую вилку убедится в целостности цепи первичной обмотки трансформатора. Для этого через штыри вилки подключения сетевого питания нужно прозвонить омметром целостность первичной обмотки трансформатора коснувшись щупами прибора за штыри сетевой вилки, если цепь показывает обрыв, тогда нужно осмотреть детали внутри корпуса.

Возможен обрыв предохранителя, обычно это тоненькая проволочка, протянутая в фарфоровом или стеклянном корпусе, сгорающая при перегрузках. Но некоторые фирмы, например, “Интерскол”, для того чтобы предохранить обмотки трансформатора от перегрева устанавливают между витками первичной обмотки тепловой предохранитель, цель которого при достижении температуры 120 – 130° С, разрывать цепь питания сети и, к сожалению, ее уже после разрыва не восстанавливает.

Обычно предохранитель находится под покровной бумажной изоляцией первичной обмотки, после вскрытия которой, можно легко обнаружить эту деталь. Чтобы снова привести схему в рабочее состояние, можно, просто спаять концы обмотки в одно целое, но нужно помнить – трансформатор остается без защиты от короткого замыкания и лучше всего вместо теплового установить обычный сетевой предохранитель.

Если цепь первичной обмотки целая, прозванивается вторичная обмотка и диоды моста. Для прозвонки диодов лучше выпаять один конец из схемы и проверить диод омметром. При подсоединении концов к выводам поочередно щупов в одну сторону, диод должен показывать обрыв, в другую, короткое замыкание.

Таким образом необходимо проверить все четыре диода. И, если, уж, мы залезли в схему, тогда лучше всего сразу поменять конденсатор, потому, что диоды обычно перегружаются по причине высовшего электролита в конденсаторе.

Далее можно проверить все соединения на плате с помощью увеличительного стекла. Если это не помогло, то лучше всего обратиться к специалисту в сервисную компанию.

 

 

 Внимание покупателей подшипников

Уважаемые покупатели, отправляйте ваши вопросы и заявки по приобретению  подшипников и комплектующих на почту или звоните сейчас:

     +7(499)403 39 91  

   

  Доставка подшипников  по РФ  и зарубежью.

  Каталог подшипников на сайте themechanic.ru

 

 

Внимание покупателей подшипников

Уважаемые покупатели, отправляйте ваши вопросы и заявки по приобретению подшипников и комплектующих на почту или звоните сейчас:
+7 (499) 113 36 18
[email protected]
Доставка подшипников по РФ и зарубежью.
Каталог подшипников на сайте

Внимание покупателей подшипников

Уважаемые покупатели, отправляйте ваши вопросы и заявки по приобретению подшипников и комплектующих на почту или звоните сейчас:
+7 (499) 113 36 18
[email protected]
Доставка подшипников по РФ и зарубежью.
Каталог подшипников на сайте

Балансир для li-ion аккумуляторов своими руками. Схема и описание

Иногда есть необходимость в зарядке Li-Ion аккумулятора, состоящего из нескольких последовательно соединенных ячеек. В отличие от Ni-Cd аккумуляторов, для Li-Ion аккумуляторов необходима дополнительная система управления, которая будет следить за равномерностью их заряда. Зарядка без такой системы рано или поздно приведет к повреждению элементов аккумулятора, и вся батарея будет неэффективна и даже опасна.

Балансировка — это режим заряда, который контролирует напряжение каждой отдельной ячейки в батареи аккумулятора и не допускает превышения напряжения на них выше установленного уровня. Если одна из ячеек зарядиться раньше остальных, балансир берет на себя избыточную энергию и переводит ее в тепло, не допуская превышения напряжения заряда конкретной ячейки.

Для Ni-Cd аккумуляторов нет необходимости в такой системе, поскольку каждый элемент батареи при достижении своего напряжения перестает принимать энергию. Признак заряда Ni-Cd — это увеличение напряжения до определенного значения, с последующим его снижением на несколько десятков мВ и повышением температуры, поскольку излишняя энергия переходит в тепло.

Перед зарядкой Ni-Cd должны быть разряжены полностью, в противном случае возникает эффект памяти, который приведет к заметному снижению емкости, и восстановить ее можно только путем нескольких полных циклов заряда/разряда.

С Li-Ion аккумуляторами все наоборот. Разрядка до слишком низких напряжений вызывает деградацию и необратимое повреждение с увеличением внутреннего сопротивления и уменьшением емкости. Также зарядка полным циклом быстрее изнашивает аккумулятор, чем в режиме подзарядки. Аккумулятор Li-Ion не проявляет симптомов заряда как у Ni-Cd, так что зарядное устройство не может обнаружить момент полного заряда.

Li-Ion как правило заряжают по методу CC/CV, то есть, на первом этапе заряда устанавливают постоянный ток, например, 0,5 С (половина от емкости: так для для аккумулятора емкостью 2000 мАч ток заряда составит 1000мА). Далее при достижении конечного напряжения, которое предусмотрел производитель (например, 4,2 В), заряд продолжают стабильным напряжением. И когда ток заряда снизится до 10..30мА аккумулятор можно считать заряженным.

Если у нас батарея аккумуляторов (несколько аккумуляторов соединенных последовательно), то мы заряжаем, как правило, только через клеммы на обоих концах всего пакета. При этом мы не имеем никакой возможности контролировать уровень заряда отдельных звеньев.

Возможно, что будет так, что один из элементов будет иметь более высокое внутреннее сопротивление или чуть меньшую емкость (в результате износа аккумулятора), и он быстрее остальных достигнет напряжение заряда 4,2 В, в тоже время у остальных будет только по 4,1 В, и вся батарея не покажет полный заряд.

Когда напряжение батареи достигнет напряжение заряда, может оказаться так, что слабый элемент зарядиться до 4,3 В или даже больше. С каждым таким циклом такой элемент будет все больше и больше изнашиваться, ухудшая свои параметры, до тех пор, пока это не приведет к выходу из строя всей батареи. Мало того, химические процессы в Li-Ion нестабильны и при превышении напряжения заряда значительно повышается температура аккумулятора, что может привести к самовозгоранию.

Простой балансир для li-ion аккумуляторов

Что же тогда делать? Теоретически самый простой способ заключается в использовании стабилитрона, подключенного параллельно каждому элементу батареи. При достижении напряжения пробоя стабилитрона, он начнет проводить ток, не позволяя повышаться напряжению. К сожалению, стабилитрон на напряжение 4,2 В не так легко найти, а 4,3 В уже будет слишком много.

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Выходом из данной ситуации может быть применение популярного регулируемого стабилитрона TL431. Правда в этом случае ток нагрузки не должен превышать более 100 мА, что очень мало для заряда. Поэтому ток необходимо усилить при помощи транзистора. Такая схема, подключенная параллельно к каждой ячейки, защитит ее от перезаряда.

Это слегка измененная типовая схема подключения TL431, в datasheet  ее можно найти под названием „hi-current shunt regulator” (сильноточный регулятор шунта).

На резисторах R1 и R2 собран делитель напряжения. Их сопротивление таково, что при достижении напряжения заряда на аккумуляторе 4,2В на управляющем входе TL431 должно появиться 2,5 вольта. При достижении напряжении на управляющем выводе TL431 2,5 вольт, регулируемый стабилитрон начнет проводить ток, открыв тем самым транзистор. Транзистор зашунтирует цепь питания, и напряжение не будет подниматься более 4,2 вольт.

Так как через транзистор будет протекать большой ток, то следует выбрать мощный транзистор, у которого мощность рассеивания не ниже:

P = U*I,

где U — напряжение заряда, I – ток заряда.

Например, при токе заряда 0,5А транзистор должен иметь рассеиваемую мощность не менее 4,2В*0,5А = 2,1Вт. Так же желательно установить его на теплоотвод.

Ниже приведен список сопротивлений резисторов R1 и R2 на разное напряжение заряда:

R1 + R2 => U

22к + 33к => 4,166 В

15к + 22к => 4,204 В

47к + 68к => 4,227 В

27к + 39к => 4,230 В

39K + 56к => 4,241 В

33к + 47к => 4,255 В

Резистор R3 – нагрузочное сопротивление базы транзистора. Его сопротивление может быть 470Ом…1кОм.

Источник

SC6038 или зарядка для 7.4V батареи своими руками.

Как то я отвлекся от профильных для меня обзоров различных самоделок.
В этом обзоре я решил исправить это упущение.
В общем встречайте зарядник с балансировкой, для батареи из двух литиевых аккумуляторов.

Начну как всегда с классики. Как это все пришло.
Я знаю, что есть читатели, которые не любят фото распаковки. Но не показать это я не мог.
Микросхемы шли с треком, сколько шли уже не помню, но попали под праздники, потому точно было не быстро.
Увидев у себя в отслеживании, что микрухи пришли в мое отделение связи, я после работы заехал за ними. Захожу, говорю мол мне бы бандерольку забрать, а скорее всего конвертик, сколько там могут занимать места десять микросхем.
Но продавец меня поразил. Он упаковал эти микросхемы в картонную коробку.
Размеры коробки видно на фото.

SC6038 или зарядка для 7.4V батареи своими руками.
Внутри лежал пакет из пупырки. У меня были посылки, которые были хорошо упакованы, но так упаковать это надо еще постараться. Продавцу однозначно респект.
В общем ехал мой заказ по царски.SC6038 или зарядка для 7.4V батареи своими руками.
Внутри всей этой кучи упаковочного материала все таки обнаружился мой заказ.
Все чинно и аккуратно, пакет с защелкой и отпечатанный вкладыш с наименованием микросхем.
Если бы продавец еще и даташит вложил, я бы наверное этого уже не выдержал, но видно он знает меру :)))))SC6038 или зарядка для 7.4V батареи своими руками.
Видно, что весь мой заказ в наличии, микросхемы в стандартной ленте.SC6038 или зарядка для 7.4V батареи своими руками.
Маркировка на микросхемах четкая, но очень лаконичная, производитель вообще не указан.SC6038 или зарядка для 7.4V батареи своими руками.
Почему то мне казалось, что у этих микросхем снизу должна быть теплорассеивающая пластина для пайки. Но снизу ничего нет. В даташите тоже нет уточнения по этому поводу.SC6038 или зарядка для 7.4V батареи своими руками.
Надо было подтверждать заказ, а как подтверждать, если непонятно, работают они вообще или нет.
В общем накидал по быстрому платку для зарядника.SC6038 или зарядка для 7.4V батареи своими руками.
А после этого, специально для обзора, начертил схему.
Вдруг кто то захочет повторить.SC6038 или зарядка для 7.4V батареи своими руками.
Я не буду приводить весь процесс печати плат, он очень подробно описан в моем обзоре бумаги для этого дела.
Но на выходе я получил вот это.SC6038 или зарядка для 7.4V батареи своими руками.
А уже к этому подобрал все необходимые детали. Правда на фото не все детали, светодиоды и конденсатор добавил потом.
Вместо двух светодиодов лучше использовать один двухцветный, двухногий.
Красный цвет отображает процесс заряда, зеленый, что аккумулятор заряжен.SC6038 или зарядка для 7.4V батареи своими руками.
В итоге у меня получилась такая вот платка.
Ток заряда я выставил 400мА, так как мне больше и не надо было, да и микросхема греется весьма существенно (градусов под 100). Правильнее было бы сделать двухстороннюю плату и соединить стороны большим количеством перемычек, но я поступил немного по другому.
На плате (а особенно на чертеже печатки) видно две перемычки, они играют роль теплоотвода.
Если к этим перемычкам припаять с обратной стороны кусочек фольгированного стеклотектолита, то теплоотвод улучшится. Хотя и сами перемычки помогают весьма неплохо.
Потому несмотря на то, что по факту они ничего не соединяют, запаивать их все таки надо.

Ток заряда расчитывается по формуле — IOUT =Vcs/RSET
Где Vcs — значение внутреннего опорного напряжения, составляющее 200мВ, а RSET — сопротивление токоизмерительного резистора.
Т.е. в моем варианте ток равен — 200/0.5=400мА.

SC6038 или зарядка для 7.4V батареи своими руками.
А вот так все это выглядит немного поближе.
Вместо резисторов по 10к стоят 12к, так как 10к закончились.SC6038 или зарядка для 7.4V батареи своими руками.
В реальности ток заряда получился несколько меньше.
Стартовый ток заряда составил 370мАSC6038 или зарядка для 7.4V батареи своими руками.
Через минут 20 я измерил ток заряда еще раз, заодно измерил температуру микросхемы, она составила 100.1 градуса.
На самом деле это не так страшно, при такой температуре она вполне может работать долго и счастливо.
Еще такая температура вызвана тем, что плата питается от 12 Вольт, при снижении до 10 Вольт температура заметно падает.
В общем ток получить больше можно, но при двух условиях, не задирать входное напряжение и увеличить теплоотвод.
Ток после прогрева упал до 350мА
Попутно проверил, микросхема не боится замыкания входных проводов.SC6038 или зарядка для 7.4V батареи своими руками.
Отдельное слово надо сказать за особенность данного устройства (в целом), балансировщике аккумуляторов.
Думаю для многих не секрет, что при последовательном соединении банок может получиться дисбаланс, так как емкость аккумуляторов не бывает идеально одинаковой.
Схема балансира была мною описана в обзоре переделки аккумулятора радиостанции Кенвуд.
Здесь применил то же решение, но в этот раз я решил провести небольшой эксперимент.
Ко мне попали два аккумулятора 18650 емкостью около 1800мАч. и так получилось, что один почти был разряжен, второй почти заряжен.
Я подключил аккумуляторы к плате и стал периодически измерять значения напряжения и записывать их в табличку. Данные я заносил не через четкие интервалы, так как не всегда мог это сделать, да и весь процесс занял около двух суток (разница была сильно большой).
Пускай вас не удивляет то, что суммарное напряжение батареи растет, это не вечный двигатель 🙂
Просто заряженный аккумулятор находился на своем «плато», т.е. напряжение на нем почти не падало, а на разряженном росло быстро, так как он еще не дошел до участка, когда напряжение еле ползет.
Плата перекачивала энергию из заряженного аккумулятора в разряженный. Этот процесс можно ускорить, например попробовав заменить накопительный конденсатор на более емкий, но я бы этого не делал.
В общем такая вот таблица у меня вышла.SC6038 или зарядка для 7.4V батареи своими руками.
На этом наверное все.

Итак резюме.
Плюсы.
Микросхемы работают
Упаковка более чем отличная.
Продавец нормальный.

Минусы.
Не обнаружено.

Да, конечно можно было купить готовое устройство, но не всегда можно купить готовое в необходимом габарите, да и иногда микросхемы приходится использовать в своих разрабатываемых устройствах.

Надеюсь информация была полезна и интересна. Извините, Вместо котика сегодня не будет 🙁

Ну и как всегда, материалы для скачивания, даташиты, печатка, схема.

Простое зу для литиевых аккумуляторов. Самодельное зарядное устройство для литий ионных аккумуляторов шуруповерта

Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов по своему строению и принципу работы весьма схоже с ЗУ для свинцово-кислотных. Каждая банка литиевых АКБ имеет более высокое значение напряжения. Кроме того, они более чувствительные к перенапряжению и перезаряду.

Банка – это один живительный элемент. Получил он свое название от схожести с жестяными банками для напитков. Для литиевых элементов наиболее распространенным вариантом является 18650. Это число легко расшифровывается. В миллиметрах указана толщина – 18 и высота – 65.

Если другие виды аккумуляторов позволяют иметь больший разбег в подаваемом напряжении при зарядке, то для литиевых этот показатель должен быть намного точнее. Во время достижения на аккумуляторе напряжения в 4.2 вольта зарядка должна останавливаться, перенапряжение для них опасно. Допускается отклонение от нормы в 0.05 вольта.

Среднее время заряда для литиевых батарей – 3 часа. Это усреднённый показатель, все же каждый отдельный аккумулятор имеет свое значение. От качества зарядки литиевых АКБ зависит срок их службы.

Условия длительного хранения

Совет. Хранить литий-ионные аккумуляторы необходимо правильно. Если устройство долгое время не будет использоваться, то батарею лучше из него вынуть.

Если оставить хранится полностью заряженный аккумуляторный элемент, то он может навсегда утратить часть своей ёмкости. Если оставить хранится разряженную батарею, она может больше не восстановиться. Значит, даже попытавшись ее реанимировать, можно потерпеть фиаско. Поэтому оптимальный рекомендуемый заряд для хранения литиевых банок – 30-50%.

Использование оригинальных зарядных устройств

Некоторые производители указывают, что использование неродных зарядных устройств для li ion аккумуляторов может привести к потере гарантии на устройство. Все дело в том, что плохое зарядное может погубить аккумуляторный элемент. Литиевые батареи могут портиться из-за неправильного напряжения или некорректного затухания в конце зарядки. Поэтому использование оригинального зарядного устройства – это всегда лучший выбор.

Опасность перезаряда и полного разряда

Исходя из устройства литиевых батарей, не рекомендуется допускать их полной разрядки или перезарядки.

К примеру, никель-кадмиевые батареи имеют эффект памяти. Это значит, что неправильный режим зарядки приводит к потере ёмкости. Неправильным считается режим, когда подзаряжается батарея, которая не полностью разрядилась. Если начать заряжать ее в не полностью разряженном состоянии, она может терять свою ёмкость. Зарядные устройства для таких батарей производятся со специальными режимами работы, которые сначала разряжают батарею до нужного уровня, потом начинают ее подзаряжать.

Литиевые батареи не требуют такого хлопотного обслуживания. Эффекта памяти у них нет, но они боятся полной разрядки. Поэтому их лучше подзарядить, когда появляется возможность, не дожидаясь полного разряда. Но и перезаряд для них неприемлем. Поэтому оптимальным будет не допускать разряда ниже 15 % и заряда более 90%. Так можно увеличить срок службы батареи.

Это касается только батарей без защиты. Если у аккумуляторов есть защита, реализованная на отдельной плате, то она отсекает заряд сверх меры, если разряд достигает минимального уровня, то отключает устройство. Обычно это показатели более 4,2 Вольта и 2.7 Вольта, соответственно.

Отношение к перепадам температур

Рабочий диапазон температур для литиевых батарей невелик – от +5 до +25 градусов по Цельсию. Сильные перепады температур нежелательны для их работы.

При перезаряде температура аккумулятора может повышаться, что нехорошо сказывается на его работе. Низкая температура также действует отрицательно. Подмечено, что на морозе аккумуляторы быстрее теряют свой заряд и садятся, хотя в тепле устройство показывает полную зарядку.

Особенности литиевых батарей

Li-ion АКБ являются очень неприхотливыми в эксплуатации. При бережном обращении они прослужат около 3-4 лет. Однако стоит ориентироваться на то, что даже если аккумуляторы не используются, они медленно умирают. Поэтому запасаться аккумуляторами к устройству впрок не совсем резонно. 2 года – это нормальное время от момента производства. Если прошло больше, то это могут быть уже вышедшие из строя батареи.

Интересно. Самый распространенный размер банки 18650 в среднем имеет ёмкость в 3500 мАч. Нормальная цена для такой батареи – 3-4 доллара. Поэтому производители, обещающие за 3 доллара Power bank объемом 10000 мАч, мягко говоря, обманывают. Хорошо, если там будет хотя бы 3000 мАч.

Как правильно заряжать полимерный аккумулятор

Полимерный аккумулятор от ионного отличается только внутренней консистенцией наполнителя. Правила зарядки и эксплуатации применимы к обоим видам этих литиевых батарей.

Как сделать зарядное устройство для литиевого аккумулятора своими руками

Рассмотрим одну из самых простых схем зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов. Самодельная схема зарядки реализована на микросхеме, которая выступает как стабилитрон и контроллер заряда, и транзисторе. База транзистора соединяется с управляющим электродом микросхемы. Литиевые батареи не любят перенапряжения, поэтому на выходе обязательно нужно выставить рекомендуемое напряжение в 4.2 В. Достичь этого можно с помощью регулировки микросхемы сопротивлениями R3 R4, которые имеют значения 3кОм и 2.2 кОм, соответственно. Подключаются они к первой ножке микросхемы. Регулировка задаётся единожды, и напряжение остаётся постоянным.

Чтобы можно было подстроить напряжение на выходе на месте резистора R, устанавливают потенциометр. Производить подстройку нужно без нагрузки, то есть без самого аккумулятора. С его помощью можно точно подстроить напряжение на выходе, равное 4,2 В. Потом вместо потенциометра можно поставить резистор полученного номинала.

Резистор R4 используется, чтобы открывать базу транзистора. Номинал этого сопротивления – 0,22 кОм. Когда аккумулятор будет заряжаться, его напряжение будет расти. От этого электрод управления на транзисторе будет повышать сопротивление эмиттер-коллектора. Это, в свою очередь, будет понижать ток, идущий на аккумулятор.

Ещё нужно отрегулировать ток зарядки. Для этого используют сопротивления R1. Без этого резистора не загорится светодиод, он отвечает за индикацию процесса зарядки. В зависимости от необходимого тока, подбирают резистор номиналом от 3 до 8 Ом.

Как выбрать аккумулятор

Отдельное внимание нужно уделить производителям аккумуляторов. Существуют зарекомендовавшие себя бренды и какие-то неизвестные аналоги. Иногда недобросовестные производители могут продавать товар, который ниже заявленных характеристик в 3 раза и более.

Обратите внимание! К брендам, получившим популярность, можно отнести Panasonic, Sony, Sanyo, Samsung.

Покупка литиевых аккумуляторов не должна вызвать больших проблем. Купить их можно в местных магазинах электроники, в интернет-магазинах или заказать напрямую из Китая. Не стоит гнаться за дешевизной. Хороший аккумулятор не может стоить очень дёшево. Некоторые производители ставят качественные банки, но плохие платы, отвечающие за питание. Это неминуемо приведет к гибели батареи.

Видео


Li-ion аккумуляторы типа 18650 различной емкости получили в настоящее время очень широкое распространение. С их приобретением встает проблема зарядки и обязательно в соответствии с техническими требованиями к процессу зарядки. Вот некоторые из этих требований:
— зарядка стабильным током;
— режим стабилизации напряжения;
— индикация окончания зарядки;
— непревышение допустимой температуры в процессе зарядки аккумулятора.

Вашему вниманию предлагается несложная в изготовлении и наладке схема ЗУ Li-ion аккумуляторов, хорошо зарекомендовавшая себя в работе.

Схема представляет собой стабилизатор тока и напряжения. Пока напряжение на аккумуляторе в процессе зарядки не достигнет уровня Uстаб.=(R7/R5+1)*Uref (Uref-опорное напряжение TL431=2,5В), TL431 находится в закрытом состоянии, и схема работает как стабилизатор тока. Iстаб.=0,6/R2 (0,6-напряжение открывания транзистора КТ816В). Как только напряжение на аккумуляторе достигнет Uстаб., схема переходит в режим стабилизации напряжения. Для Li-ion аккумулятора эта величина равна 4,2В. По достижении на аккумуляторе напряжения 4,2В начинает светиться светодиод желтого цвета, сигнализируя о том, что аккумулятор заряжен на 80-90%.Зарядный ток снижается до величины 7…8мА. В этом состоянии оставьте аккумулятор на 10-15 часов, чтобы он набрал полную емкость.

Немного о назначении элементов схемы.
LED1 — синего цвета, светится при установке аккумулятора (АК) в зарядный бокс при неподключенном питании ЗУ. При напряжении на АК менее 3В LED1 не светится.
LED2 — желтого цвета. Служит для индикации окончания процесса зарядки АК. При установке в бокс незаряженного АК LED2 не светится. Если он светится, то это говорит о том, что в бокс вставлен заряженный АК (при неподключенном питании ЗУ).
R2 — ограничивает зарядный ток АК.
R5, R7 — служат для установки напряжения 4,2В на контактах зарядного бокса до установки в него аккумулятора (можно любым).

Все детали ЗУ, кроме транзистора, установлены на печатной плате со стороны печатных проводников:

Вариант платы для тех, кто не ленится сверлить отверстия в стеклотекстолите:

Транзистор снабжен небольшим радиатором. В процессе зарядки транзистор греется до 40°С. Резистор R2 также греется, поэтому лучше установить параллельно два по 10 Ом для уменьшения нагрева.
Напряжение блока питания для зарядки одного аккумулятора примерно 5В постоянного тока. При необходимости заряжать сразу несколько аккумуляторов напряжение БП выбирается таким, чтобы на каждом блоке оно составляло 4,2В. Мощность блока питания выбирается из величины зарядного тока для каждого аккумулятора. Можно использовать импульсный источник питания. Габариты зарядного устройства будут меньше.
Процесс наладки зарядного устройства несложен. Не вставляя аккумулятор, подаем питание на схему. Должны светиться оба светодиода. Далее измеряем напряжение на контактах зарядного бокса. Если оно равно 4,2В, вам повезло и наладка почти завершена. В случае, если напряжение больше или меньше 4,2В, отключаем питание, вместо резистора R5 или R7 впаиваем переменный многооборотный резистор 10к и точно устанавливаем напряжение 4,2В на контактах бокса. Измерив величину получившегося сопротивления настоечного резистора, подбираем такой же постоянный и впаиваем в схему. Еще раз проверяем напряжение на контактах зарядного бокса. Величину зарядного тока проверяем амперметром на контактах зарядного бокса, не вставляя аккумулятор. Подбором величины резистора R2 можно установить желаемый зарядный ток. Большими токами не увлекаемся, может греться аккумулятор, что категорически недопустимо. От перегрева емкость Li-ion аккумуляторов снижается и не восстанавливается.
Аккумуляторы лучше всего заряжать по одному. При необходимости заряжать одновременно несколько аккумуляторов можно соединить блоки последовательно по такой схеме.

В этой схеме каждый аккумулятор заряжается отдельно. Напряжение в конце зарядки на каждом АК будет 4,2В, а зарядный ток — 0,5А. Заряжая одновременно, например, семь аккумуляторов, напряжение источника питания должно быть 4.2В*7=29,5В. Мощность источника питания определяется по величине зарядного тока 0,5А для каждого АК, т.е приблизительно 40Вт.

Фото готового устройства.

Литиевые аккумуляторы представляют гальваническую пару, в которой катодом служат соли лития. Независимо, литий-ионный, литий-полимерный сухой или гибридный аккумулятор, зарядное устройство подходит всем. Изделия могут иметь форму цилиндра, или герметичную мягкую упаковку, способ зарядки для них общий, отвечающий особенностям электрохимической реакции. Как зарядить Li-ion АКБ?

Существует несколько схем зарядки литиевых аккумуляторов. Чаще используется двухэтапная зарядка, разработанная компанией SONY. Не применяются устройства с применением импульсного заряда и ступенчатой зарядки, как для кислотных АКБ.

Зарядка любых разновидностей ионно-литиевых или литий-полимерных аккумуляторов требует строгое соблюдение напряжения. На одном элементе заряженного литиевого аккумулятора должно быть не больше 4,2 В. Номинальным напряжением для них считается 3,7 В.

Литиевые аккумуляторы можно ли заряжать быстро, не полностью? Да. Их всегда можно дозарядить. Работа батареи на 40-80 % емкости удлинняет АКБ срок годности.

Двухступенчатая схема зарядки батареи литиевых аккумуляторов

Принцип схемы CC/CV – постоянная сила зарядного тока/ постоянное напряжение. Как зарядить по этой схеме литиевый аккумулятор?

На схеме до 1 этапа зарядки изображен предэтап, для восстановления глубоко севшего литиевого аккумулятора, с напряжением на клеммах не менее 2,0 В. Первый этап должен восстановить 70-80 % емкости. Ток зарядки выбирают 0,2-0,5 С. Ускоренно заряжать можно, током 0,5-1,0 С. (С – емкость литиевых аккумуляторов, цифровое значение). Каким должно быть напряжение зарядки на первом этапе? Стабильным, 5 В. Когда достигнуто напряжение на клеммах аккумулятора 4,2 – это сигнал перехода на второй этап.

Теперь ЗУ поддерживает стабильное напряжение на клеммах, а зарядный ток по мере поднятия емкости снижается. При уменьшении его значения до 0,05-0,01 С зарядка закончится, устройство отключится, не допуская перезарядки. Общее время восстановления емкости для литиевого аккумулятора не превышает 3 часов.

Если литий-ионная батарея разряжена глубже 3,0 В, потребуется провести «толчок». Это заключается в зарядке малым током до тех пор, пока на клеммах не будет 3,1 В. Потом используется обычная схема.

Как контролируют параметры зарядки

Так как литиевые аккумуляторы работают в узком диапазоне изменения напряжения на клеммах, их нельзя перезаряжать выше 4,2 В и допускать разрядку ниже 3 В. Контроллер заряда установлен в ЗУ. Но каждый аккумулятор или батарея имеют собственные прерыватели, РСВ плату или РСМ модули защиты. В аккумуляторах установлена именно защита от того или иного фактора. В случае нарушения параметра, она должна отключить банку, разорвать цепь.

Контроллер – устройство, которое должно реализовать функции управления – переводить режимы CC/CV, контролировать количество энергии в банках, отключать зарядку. При этом сборка работает, нагревается.

Самодельные схемы зарядки, применяемые для литиевых аккумуляторов

  • LM317 – схема простого зарядного устройства с индикатором заряда. От USB порта не запитывается.
  • MAX1555, MAX1551- специально для Li Аккумуляторов, устанавливаются в адаптер питания от телефона в USB. Есть функция предварительного заряда.
  • LP2951- стабилизатор ограничивает ток, формирует стабильное напряжение 4,08-4,26В.
  • MCP73831- одна из простейших схем, подходит для зарядки ионных и полимерных устройств.

Если батарея состоит из нескольких банок, разряжаются они не всегда равномерно. При зарядке необходим балансир, распределяющий заряд и обеспечивающий равномерный заряд всех банок в батарее. Балансир может быть отдельным или встроенным в схему подключения АКБ. Устройство защиты батареи называется BMS. Зная как заряжать приборы, разбираясь в схемах, можно своими руками собрать схему защитного устройства для литиевого аккумулятора.

Как зарядить литиевый аккумулятор 12 вольт

Каждый литиевый аккумулятор представляет герметичное изделие цилиндрической, призматической формы, для Li-pol в мягкой упаковке. Все они имеют напряжение 3,6- 4,2 В и разную емкость, измеряемую в мА/ч. Если собрать последовательно 3 банки получится батарея с напряжением на клеммах 10,8 — 12,6 В. Емкость при последовательной зарядке, измеряется по самому слабому литиевому аккумулятору в связке.

Как правильно заряжать литиевый аккумулятор 18650 или Pol на 12 вольт, нужно знать. Для возвращения прибору емкости необходимо использовать ЗУ с контроллером. Важно иметь в сборке РСМ для каждой банки, защиту от недо- и перезаряда. Другая схема незащищенных литиево-ионных аккумуляторов – установка РСВ – управляющей платы, лучше с балансирами, для равномерной зарядки банок.

На зарядном устройстве необходимо задать напряжение, под которым работает батарея, 12,6 В. На приборной доске устанавливается количество банок и ток зарядки, равный 0,2- 0,5 С.

Как заряжать, предлагаем посмотреть видео, способ зарядки для 2, 3 литиевых аккумуляторов 18650, соединенных последовательно. Используется бюджетное зарядное устройство.

Варианты зарядки литий-ионных литиево-полимерных аккумуляторов:

  • Зарядное устройство приобретаемое в комплекте с прибором.
  • Использовать разъем USB от электронной техники – компьютера. Здесь можно получить ток 0,5 А, зарядка будет долгой.
  • От прикуривателя, купив переходник с набором портов. Выбрать тот, что соответствует параметрам батареи на 12 В.
  • Универсальное зарядное устройство «лягушка» с доком для установки гаджета. Как заряжать? Есть панель индикации заряда.

Специалисты советуют использовать для зарядки литиевых аккумуляторов штатное зарядное, остальные – только в форс-мажорных обстоятельствах. Однако, как зарядить литиевый аккумулятор без штатного зарядного устройства, нужно знать.

Как заряжать литиевые аккумуляторы шуруповерта

Шуруповерт на литиевых аккумуляторах почти всегда апгрейд. Если с Ni-Cd элементами были одни требования к зарядке, теперь они стали противоположными. В первую очередь нужно приобрести или собрать зарядник, именно для энергоемких литиевых аккумуляторов шуруповерта с форм фактором 18650. Схема зарядки применяется из двух этапов CC/CV.

Зарядка литиевого аккумулятора шуруповерта оптимальна, когда остается 20-50 % емкости – одна палочка на индикаторе. Чем чаще заряжать, тем стабильнее напряжение на клеммах и длиннее жизнь источника энергии. Чем ровнее напряжение на клеммах, тем больше циклов выдержит литиевый аккумулятор шуруповерта.

Если в шуруповерте 2 аккумулятора, один снимите, зарядите на 50-60 % и держите в резерве. Но второй заряжайте всегда по окончании работы, даже на 10 %. Лучшая температура для заряда +15-25 0 С. При минусе батарея шуруповерта не зарядится, но работать до -10 0 может.

Как заряжать литиевый аккумулятор шуруповерта зарядным устройством, зависит от схемы сбора батареи из банок. В любом случае, напряжение на ЗУ должно быть равно заявленному для прибора, а сила тока 0,5 С на первом этапе. На втором, напряжение клеммное стабильно, а сила тока падает, вплоть до окончания процесса.

Сколько заряжать литиевый аккумулятор

Время зарядки аккумуляторов определяется процессом восстановления емкости. Различают полный и частичный заряд.

Емкость измеряется в ампер-часах. Это значит, если подать заряд, численно равный емкости, то за час на клеммах создастся нужное напряжение, а запас энергии будет 70-80 %. Если емкость измеряется в единицах С, при быстрой зарядке следует подавать ток 1С-2С. Время быстрой зарядки около часа.

Для полного цикла зарядки батарей из нескольких элементов, соединенных последовательно, используют 2 этапа – CC/CV. Этап СС длится, пока на клеммах не появится напряжение, равное рабочему, в вольтах. Второй этап: при стабильном напряжении подается в банку ток, но с увеличением емкости, он стремится к нулю. Время заряда занимает около 3 часов, независимо от емкости.

Можно ли заряжать литиевый аккумулятор обычной зарядкой

Две разных системы аккумуляторов – литиевые и свинцовые требуют разного подхода к восстановлению емкости. Свинцовый АКБ не настолько требовательны к параметрам зарядки, как литиевые. Да и критерии заряда другие.

Для зарядки на первом этапе Li-ion, Li-pol требуется постоянный ток, на втором этапе постоянное напряжение. Если не контролировать параметры на первом этапе, возможен перезаряд. Но если в батарее есть встроенная защита – BMS – она справится. Поэтому несколько добавить энергии можно даже зарядником от телефона.

В зарядном устройстве для свинцовых АКБ главный показатель – стабильное напряжение. Для литиевых зарядников на первом этапе важен стабильный ток.

Правда, появились универсальные ЗУ, которые можно перенастроить на тот или иной режим зарядки. Перед вами российская разработка «Кулон».

Понравились мне мелкие микросхемы для простых зарядных устройств. покупал я их у нас в местном оффлайн магазине, но как назло они там закончились, их долго везли откуда то. Глядя на эту ситуацию, я решил заказать себе их небольшим оптом, так как микросхемы довольно неплохие, и в работе понравились.
Описание и сравнение под катом.

Я не зря написал в заголовке про сравнение, так как за время пути собачка могла подрасти микрухи появились в магазине, я купил несколько штук и решил их сравнить.
В обзоре будет не очень много текста, но довольно много фотографий.

Но начну как всегда с того, как мне это пришло.
Пришло в комплекте с другими разными детальками, сами микрухи были упакованы в пакетик с защелкой, и наклейкой с названием.

Данная микросхема представляет собой микросхему зарядного устройства для литиевых аккумуляторов с напряжением окончания заряда 4.2 Вольта.
Она умеет заряжать аккумуляторы током до 800мА.
Значение тока устанавливается изменением номинала внешнего резистора.
Так же она поддерживает функцию заряда небольшим током, если аккумулятор сильно разряжен (напряжение ниже чем 2.9 Вольта).
При заряде до напряжения 4.2 Вольта и падении зарядного тока ниже чем 1/10 от установленного, микросхема отключает заряд. Если напряжение упадет до 4.05 Вольта, то она опять перейдет в режим заряда.
Так же имеется выход для подключения светодиода индикации.
Больше информации можно найти в , у данной микросхемы существует гораздо более дешевый .
Причем он более дешевый у нас, на Али все наоборот.
Собственно для сравнения я и купил аналог.

Но каково же было мое удивление когда микросхемы LTC и STC оказались на вид полностью одинаковыми, по маркировке обе — LTC4054.

Ну может так даже интереснее.
Как все понимают, микросхему так просто не проверить, к ней надо еще обвязку из других радиокомпонетов, желательно плату и т.п.
А тут как раз товарищ попросил починить (хотя в данном контексте скорее переделать) зарядное устройство для 18650 аккумуляторов.
Родное сгорело, да и ток заряда был маловат.

В общем для тестирования надо сначала собрать то, на чем будем тестировать.

Плату я чертил по даташиту, даже без схемы, но схему здесь приведу для удобства.

Ну и собственно печатная плата. На плате нет диодов VD1 и VD2, они были добавлены уже после всего.

Все это было распечатано, перенесено на обрезок текстолита.
Для экономии я сделал на обрезке еще одну плату, обзор с ее участием будет позже.

Ну и собственно изготовлена печатная плата и подобраны необходимые детали.

А переделывать я буду такое зарядное, наверняка оно очень известно читателям.

Внутри него очень сложная схема, состоящая из разъема, светодиода, резистора и специально обученных проводов, которые позволяют выравнивать заряд на аккумуляторах.
Шучу, зарядное находится в блочке, включаемом в розетку, а здесь просто 2 аккумулятора, соединенные параллельно и светодиод, постоянно подключенный к аккумуляторам.
К родному зарядному вернемся позже.

Спаял платку, выковырял родную плату с контактами, сами контакты с пружинами выпаял, они еще пригодятся.

Просверлил пару новых отверстий, в среднем будет светодиод, отображающий включение устройства, в боковых — процесс заряда.

Впаял в новую плату контакты с пружинками, а так же светодиоды.
Светодиоды удобно сначала вставить в плату, потом аккуратно установить плату на родное место, и только после этого запаять, тогда они будут стоять ровно и одинаково.

Плата установлена на место, припаян кабель питания.
Собственно печатная плата разрабатывалась под три варианта запитки.
2 варианта с разъемом MiniUSB, но в вариантах установки с разных сторон платы и под кабель.
В данном случае я сначала не знал, какбель какой длины понадобится, потому запаял короткий.
Так же припаял провода, идущие к плюсовым контактам аккумуляторов.
Теперь они идут по раздельным проводам, для каждого аккумулятора свой.

Вот как получилось сверху.

Ну а теперь перейдем к тестированию

Слева на плате я установил купленную на Али микруху, справа купленную в оффлайне.
Соответственно сверху они будут расположены зеркально.

Сначала микруха с Али.
Ток заряда.

Теперь купленная в оффлайне.

Ток КЗ.
Аналогично, сначала с Али.

Теперь из оффлайна.



Налицо полная идентичность микросхем, что ну никак не может не радовать:)

Было замечено, что при 4.8 Вольта ток заряда 600мА, при 5 Вольт падает до 500, но это проверялось уже после прогрева, может так работает защита от перегрева, я еще не разобрался, но ведут себя микросхемы примерно одинаково.

Ну а теперь немного о процессе зарядки и доработке переделки (да, даже так бывает).
С самого начала я думал просто установить светодиод на индикацию включенного состояния.
Вроде все просто и очевидно.
Но как всегда захотелось большего.
Решил, что будет лучше, если во время процесса заряда он будет погашен.
Допаял пару диодов (vd1 и vd2 на схеме), но получил небольшой облом, светодиод показывающий режим заряда светит и тогда, когда нет аккумулятора.
Вернее не светит, а быстро мерцает, добавил параллельно клеммам аккумулятора конденсатор на 47мкФ, после этого он стал очень коротко вспыхивать, почти незаметно.
Это как раз тот гистерезис включения повторной зарядки, если напряжение упало ниже 4.05 Вольта.
В общем после этой доработки стало все отлично.
Заряд аккумулятора, светит красный, не светит зеленый и не светит светодиод там, где нет аккумулятора.

Аккумулятор полностью заряжен.

В выключенном состоянии микросхема не пропускает напряжение на разъем питания, и не боится закоротки этого разъема, соответственно не разряжает аккумулятор на свой светодиод.

Не обошлось и без измерения температуры.
У меня получилось чуть более 62 градусов после 15 минут заряда.

Ну а вот так выглядит полностью готовое устройство.
Внешние изменения минимальны, в отличие от внутренних. Блок питания на 5 /Вольт 2 Ампера у товарища был, и довольно неплохой.
Устройство обеспечивает тока заряда 600мА на канал, каналы независимые.

Ну а так выглядело родное зарядное. Товарищ хотел попросить меня поднять в нем зарядный ток. Оно и родного то не выдержало, куда еще поднимать, шлак.

Резюме.
На мой взгляд, для микросхемы за 7 центов очень неплохо.
Микросхемы полностью функциональны и ничем не отличаются от купленных в оффлайне.
Я очень доволен, теперь есть запас микрух и не надо ждать, когда они будут в магазине (недавно опять пропали из продажи).

Из минусов — Это не готовое устройство, потому придется травить, паять и т.п., но при этом есть плюс, можно сделать плату под конкретное применение, а не использовать то, что есть.

Ну и в тоге получить рабочее изделие, изготовленное своими руками, дешевле чем готовые платы, да еще и под свои конкретные условия.
Чуть не забыл, даташит, схема и трассировка —


Я сделал себе зарядное устройство для четырех литий-ионных аккумуляторов. Кто-то сейчас подумает: ну сделал и сделал, таких полно в интернете. И я сразу хочу сказать, что моя конструкция способна заряжать как одну батарею, так и четыре сразу. Все аккумуляторы заряжаются независимо друг от друга.
Это дает возможность заряжать одновременно батареи из разных устройств и с разным начальным зарядом.
Я сделал зарядник для батарей типа 18650, которые у меня используются в фонарике, powerbanks, ноутбуке и тп.
Схема состоит из готовых модулей и собирается очень быстро и просто.

Понадобится

  • — 4 шт.
  • — 4 шт.
  • Скрепки канцелярские.

Изготовление зарядного устройства под разное количество аккумуляторов

Сначала сделаем батарейный отсек. Для этого берем универсальную монтажную плату с большим количеством отверстий и обычные канцелярские скрепки.


Откусываем у скрепок вот такие уголки.


Вставляем в плату, предварительно примерив по длине батарей нужных вам. Потому, что такое зарядное устройство можно сделать не только под 18650 аккумуляторы.


Запаиваем снизу платы части скрепок.


Затем берем контроллеры зарядки и размещаем их на оставшемся месте платы, желательно напротив каждого аккумулятора.


Контроллер зарядки будет крепиться на вот таких ножках, сделанных из разъема PLS.


Припаиваем сверху модуль и снизу к плате. По этим ножкам побежит ток питания к модулю и ток заряда к батареям.


Четыре секции готовы.


Далее для коммутации зарядных мест установим кнопки или тумблера.


Подключается все это дело вот таким образом:


Вы спросите — почему кнопки только три а не четыре? А я отвечу — так как один модуль всегда будет работать, потому что один аккумулятор будет заряжаться всегда, иначе нет смысла вообще втыкать зарядник.
Напаиваем токопроводящие дорожки.


Итог таков, что кнопками можно подключать место для зарядки от 1 до 4 аккумуляторов.


На модуле заряда установлен светодиод, который показывает что батарея, которая от него заряжается — зарядилась или нет.
Я собрал все устройство за полчаса. Питается оно от 5-ти вольтового блока питания (адаптера), его, кстати, тоже нужно выбирать с умом, чтобы оно тянуло зарядку сразу всех четырех батарей одновременно. Так же всю схему можно питать от USB компьютера.
Подключаем переходник к первому модулю, а дальше включаем нужные кнопки и напряжение с первого модуля будет переходить на другие места, в зависимости от включенных переключателей.

A Руководство разработчика по зарядке литий-ионных (литий-ионных) аккумуляторов

Преимущества литий-ионных (Li-ion) батарей

укрепили их позицию в качестве основного источника питания для портативной электроники, несмотря на один недостаток, когда разработчикам приходится ограничивать скорость зарядки, чтобы избежать повреждения элемента и создания опасности. К счастью, современные литий-ионные аккумуляторы более надежны и их можно заряжать гораздо быстрее, используя методы «быстрой зарядки».

В этой статье более подробно рассматриваются разработки литий-ионных аккумуляторов, оптимальный цикл зарядки в электрохимии и некоторые схемы быстрой зарядки.В статье также будут объяснены недостатки ускоренной зарядки, что позволит инженерам сделать осознанный выбор в отношении своей следующей конструкции зарядного устройства.

Концепция литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов проста, но все же потребовалось четыре десятилетия усилий и много долларов на исследования, чтобы разработать технологию, которая теперь надежно питает большинство современных портативных устройств.

Первые элементы были хрупкими и склонными к перегреву во время зарядки, но при разработке эти недостатки были преодолены.Тем не менее, зарядка по-прежнему должна осуществляться в точном режиме, который ограничивает токи заряда, чтобы обеспечить достижение полной емкости без перезарядки и связанного с ней риска необратимого повреждения. Хорошая новость заключается в том, что последние достижения в области материаловедения и электрохимии повысили подвижность ионов клетки. Большая мобильность позволяет использовать более высокие зарядные токи и ускоряет «постоянный ток» части цикла зарядки.

Эти разработки позволяют заряжать смартфоны, оснащенные литий-ионными аккумуляторами последнего поколения, примерно с 20% до 70% емкости за 20–30 минут.Кратковременное обновление батареи до трех четвертей емкости привлекает потребителей с ограниченным временем жизни, открывая сектор рынка зарядных устройств, которые могут безопасно поддерживать быструю зарядку. В ответ поставщики микросхем предложили разработчикам микросхемы, которые обеспечивают различную скорость зарядки, чтобы ускорить пополнение заряда литий-ионных элементов. В результате получается более быстрая зарядка, но, как всегда, приходится идти на компромисс.

Портативные устройства повышения мощности

Литий-ионные элементы

основаны на интеркаляционных соединениях.Эти соединения представляют собой материалы со слоистой кристаллической структурой, которые позволяют ионам лития мигрировать из слоев или находиться между ними. Во время разряда литий-ионной батареи ионы перемещаются от отрицательного электрода через электролит к положительному электроду, заставляя электроны двигаться в противоположном направлении по цепи для питания нагрузки. Когда ионы в отрицательном электроде израсходованы, ток перестает течь. Зарядка батареи заставляет ионы перемещаться обратно через электролит и встраиваться в отрицательный электрод, готовые к следующему циклу разряда (Рисунок 1).

Рис. 1. В литий-ионной батарее ионы лития перемещаются от одного интеркалирующего соединения к другому, в то время как электроны текут по цепи для питания нагрузки. (Источник изображения: Digi-Key)

В современных элементах для положительного электрода используются интеркалирующие соединения на основе лития, такие как оксид лития-кобальта (LiCoO 2 ), поскольку он намного более стабилен, чем высокореактивный чистый литий, и поэтому намного безопаснее. В качестве отрицательного электрода используется графит (уголь).

Хотя эти материалы удовлетворительны, все не идеально. Каждый раз, когда ионы смещаются, некоторые из них вступают в реакцию с электродом, становятся неотъемлемой частью материала и, таким образом, теряются в электрохимической реакции. В результате запас свободных ионов постепенно истощается, а срок службы батареи сокращается. Что еще хуже, каждый цикл зарядки вызывает объемное расширение электродов. Это вызывает напряжение кристаллической структуры и вызывает микроскопические повреждения, которые снижают способность электродов принимать свободные ионы.Это накладывает ограничение на количество циклов перезарядки.

Устранение этих недостатков было в центре внимания недавних исследований литий-ионных аккумуляторов, основной целью которых является упаковка большего количества ионов лития в электроды для увеличения плотности энергии, определяемой как энергия на единицу объема или веса. Это облегчает перемещение ионов внутрь и наружу электродов и облегчает прохождение ионов через электролит (то есть увеличивает подвижность ионов).

Время зарядки (для заданного тока) в конечном итоге определяется емкостью аккумулятора.Например, аккумулятор смартфона емкостью 3300 мАч будет заряжаться примерно в два раза дольше, чем аккумулятор емкостью 1600 мАч, когда оба заряжаются током 500 мА. Чтобы учесть это, инженеры определяют скорость зарядки в единицах «C», где 1 C соответствует максимальному току, который батарея может обеспечить в течение одного часа. Например, в случае аккумулятора на 2000 мАч, C = 2 A. Та же методика применяется к зарядке. Применение зарядного тока 1 А к батарее емкостью 2000 мАч соответствует скорости 0,5 С. ​​

Из этого следует, что увеличение зарядного тока приведет к уменьшению времени перезарядки.Это правда, но только до определенной степени. Во-первых, ионы обладают конечной подвижностью, поэтому увеличение зарядного тока выше определенного порога не смещает их быстрее. Вместо этого энергия фактически рассеивается в виде тепла, повышая внутреннюю температуру батареи и рискуя необратимым повреждением. Во-вторых, неограниченная зарядка при высоком токе в конечном итоге приводит к встраиванию такого количества ионов в отрицательный электрод, что электрод распадается и батарея разрушается.

Последние разработки значительно улучшили подвижность ионов новейших литий-ионных элементов, что позволяет использовать более высокий зарядный ток без опасного повышения внутренней температуры.Но даже в самых современных продуктах все еще существует риск перезарядки, потому что это прямой результат физического устройства элемента. Следовательно, производители литий-ионных аккумуляторов предписывают строгий режим зарядки, чтобы защитить свои изделия от повреждений.

Осторожно делает

Зарядка литий-ионного аккумулятора

осуществляется по профилю, разработанному для обеспечения безопасности и длительного срока службы без снижения производительности (рис. 2). Если литий-ионный аккумулятор сильно разряжен (например, ниже 3 В), применяется небольшой «предварительный» заряд, составляющий около 10% от тока полной зарядки.Это предотвращает перегрев элемента до тех пор, пока он не сможет принять полный ток фазы постоянного тока. На самом деле, эта фаза редко требуется, потому что большинство современных мобильных устройств предназначены для выключения, пока еще остается некоторый заряд, потому что глубокая разрядка, например перезарядка, может повредить элемент.

Рисунок 2: Профиль зарядки литий-ионных аккумуляторов с использованием метода постоянного тока до тех пор, пока напряжение аккумулятора не достигнет 4,1 В, с последующим «дозаправкой» с использованием метода постоянного напряжения.(Источник изображения: Texas Instruments)

Затем аккумулятор обычно заряжают постоянным током 0,5 C или менее, пока напряжение аккумулятора не достигнет 4,1 или 4,2 В (в зависимости от точного электрохимического режима). Когда напряжение аккумулятора достигает 4,1 или 4,2 В, зарядное устройство переключается на фазу «постоянного напряжения», чтобы исключить перезарядку. Превосходные зарядные устройства для аккумуляторов плавно переходят от постоянного тока к постоянному напряжению, обеспечивая достижение максимальной емкости без риска повреждения аккумулятора.

Поддержание постоянного напряжения постепенно снижает ток, пока он не достигнет примерно 0,1 C, после чего зарядка прекращается. Если зарядное устройство остается подключенным к аккумулятору, применяется периодическая подзарядка для предотвращения саморазряда аккумулятора. Подзарядка обычно начинается, когда напряжение холостого хода батареи падает ниже 3,9 до 4 В, и прекращается, когда снова достигается напряжение полной зарядки от 4,1 до 4,2 В.

Как уже упоминалось, перезарядка серьезно сокращает срок службы батареи и потенциально опасна.Когда ионы перестают двигаться, большая часть электроэнергии, подаваемой на аккумулятор, преобразуется в тепловую. Это вызывает перегрев, что может привести к взрыву из-за выделения газа из электролита. В результате производители аккумуляторов выступают за точный контроль и подходящие функции безопасности зарядного устройства.

Недозаряд, хотя и не опасен, может также отрицательно сказаться на емкости аккумулятора. Например, недостаточная зарядка всего на 1% может снизить емкость аккумулятора примерно на 8% (Рисунок 3).

Рисунок 3: Недостаточная зарядка всего на доли процента может значительно снизить емкость литий-ионного аккумулятора. По этой причине важно точно измерить конечное напряжение во время зарядки.

По этим причинам зарядное устройство должно контролировать конечное напряжение с точностью до ± 50 мВ от 4,1 или 4,2 В и иметь возможность определять, когда аккумулятор полностью заряжен. Методы обнаружения включают определение момента, когда ток упадет до 0.1 C во время стадии постоянного напряжения и, в более простых зарядных устройствах, зарядка только в течение заранее определенного времени и при условии, что батарея полностью заряжена. Многие зарядные устройства также включают устройства для определения температуры батареи, так что зарядка может прекратиться при превышении порогового значения. [1]

Ускоренная зарядка

Поскольку последнее поколение аккумуляторов отличается более высокой подвижностью ионов, возможна более быстрая зарядка без риска перегрева. На сегодняшний день производители микросхем предоставили широкий спектр интегрированных решений для управления литий-ионными батареями, чтобы упростить конструкцию зарядных устройств.Теперь они также предлагают кремний, который позволяет инженерам разрабатывать продукты, которые используют преимущества более быстрой зарядки во время фазы постоянного тока. (Обратите внимание, что не существует общепринятого определения «быстрой или быстрой зарядки» для литий-ионной батареи. Скорее, этот термин качественно применяется к любому режиму зарядки, который ускоряет зарядку по сравнению с «типичной» скоростью заряда 0,5 ° C.)

Maxim Integrated, например, предлагает свое зарядное устройство MAX8900, основанное на импульсном понижающем («понижающем») источнике питания.Устройство может обеспечивать ток до 1,2 А от источника питания от 3,6 до 6,3 В, позволяя разработчику регулировать параметры заряда с помощью внешних компонентов.

Например, разработчик может реализовать быструю зарядку постоянным током, когда напряжение батареи превышает напряжение предварительного согласования и пока напряжение не достигнет 4,2 В. Максимальный ток быстрой зарядки определяется резистором между выводом SETI и землей (см. Рисунок 4).

Рисунок 4: Зарядный ток в фазе постоянного тока зарядки литий-ионных аккумуляторов, обеспечиваемый устройством MAX8900 от Maxim Integrated, можно установить с помощью резистора R SETI , показанного здесь внизу в центре этого приложения. схема.( Схема, нарисованная с помощью Digi-Key Scheme-it , на основе оригинального изображения, любезно предоставленного Maxim Integrated)

Например, для R SETI = 2,87 кОм ток быстрой зарядки составляет 1,186 А, а для R SETI = 34 кОм ток составляет 0,1 А. На рисунке 5 показано, как меняется ток зарядки с R SETI . Maxim предлагает удобный комплект разработчика для MAX8900A, который позволяет разработчику экспериментировать со значениями компонентов, чтобы исследовать их влияние не только на скорость зарядки постоянным током, но и на скорость зарядки в других частях цикла зарядки.

Рисунок 5: Изменение зарядного тока в фазе постоянного тока зарядки литий-ионного аккумулятора, подаваемого MAX8900 с номиналом резистора R SETI .

В MAX8900 встроены некоторые защитные механизмы, предотвращающие опасное повышение температуры батареи во время быстрой зарядки. Они соответствуют спецификациям Японской ассоциации производителей электроники и информационных технологий (JEITA) по безопасной зарядке литий-ионных аккумуляторов.Для литий-ионных аккумуляторов при температуре от 0 ° до 15 ° C ток быстрой зарядки ограничен до 50% от его запрограммированной скорости, а если температура аккумулятора поднимается выше 60 ° C, ток полностью отключается до тех пор, пока температура падает до безопасного уровня. Сам чип защищен термическим отводом, который ограничивает ток заряда до 25% от максимального уровня, если внутренняя температура превышает 85˚C.

Maxim не единственный, кто предоставляет разработчикам гибкость при выборе скорости быстрой зарядки.Импульсное зарядное устройство MC32BC3770 от NXP Semiconductors обеспечивает контроль над режимом зарядки, позволяя разработчику не только устанавливать рабочие параметры через интерфейс I 2 C, но также устанавливать ток окончания заряда, напряжение регулирования аккумулятора, предварительную настройку. — ток заряда, пороговое значение напряжения быстрой зарядки и пороговое напряжение уменьшения заряда в дополнение к току быстрой зарядки.

Сам ток быстрой зарядки программируется от 100 до 2000 мА с настройкой по умолчанию 500 мА.В целях безопасности ток быстрой зарядки всегда ограничивается настройкой ограничения входного тока. MC32BC3770 может работать от входа до 20 В и имеет один вход для USB и двухканальный выход для питания устройства, если батарея полностью разряжена.

FAN5400 компании

Fairchild Semiconductor также позволяет разработчикам программировать скорость зарядки и режимы работы микросхемы через интерфейс I 2 C. Устройство представляет собой USB-совместимое зарядное устройство, основанное на импульсном блоке питания, который работает от входа 6 В (макс.) И предлагает до 1.Зарядный ток 25 А.

FAN5400 разработан для минимизации времени зарядки и соответствует требованиям USB. Разработчик может выбрать как максимальный ток заряда, так и пороговое значение тока для прекращения зарядки во время фазы постоянного напряжения через хост I 2 C. Функции безопасности включают таймер, который отключает питание, если цикл зарядки превышает заранее установленную продолжительность, а ток заряда ограничивается, если температура микросхемы превышает 120 ° C.

Со своей стороны, Texas Instruments предлагает bq25898, переключаемое устройство управления зарядом батареи, которое поддерживает быструю зарядку с высоким входным напряжением.Устройство может принимать входное напряжение до 12 В и выдает до 4 А на выходе, что делает его пригодным для зарядки аккумуляторов большей емкости в смартфонах и планшетах последнего поколения.

Подобно решениям NXP Semiconductors и Fairchild, bq25898 настраивается через последовательный интерфейс I 2 C, который позволяет разработчику устанавливать ток заряда и минимальное напряжение системы. Функции безопасности включают контроль температуры аккумулятора, таймер зарядки и защиту от перенапряжения.

Компромисс для быстрой зарядки

Разработчик должен знать о компромиссе, который возникает при быстрой зарядке: чем быстрее зарядка, тем меньше емкость, когда батарея переключается на относительно медленную часть режима зарядки с постоянным напряжением. Например, зарядка при 0,7 C приводит к емкости от 50 до 70 процентов при достижении 4,1 или 4,2 В, тогда как зарядка при температуре менее 0,2 C может привести к полной зарядке батареи, как только напряжение достигнет 4,1 или 4,2 В. Другими словами, если потребителю нужно быстрое обновление, скажем, с 25 до 50 процентов, быстрая зарядка идеальна, но если потребитель обычно подключается к сети для полной подзарядки, это обычно быстрее сделать при скромной скорости зарядки 0.5 C, чем скорость быстрой зарядки не менее 1 C, что требует более длительной и относительно медленной «доливки».

Другой недостаток заключается в том, что повышенная внутренняя температура, создаваемая быстрой зарядкой — даже если она может быть ниже «безопасного» порога, определенного производителем конкретного литий-ионного элемента, — может вызвать небольшое повреждение, что в конечном итоге приведет к снижению емкости. и меньшее количество циклов перезарядки. Тем не менее, с улучшением технологии аккумуляторов, повышающим надежность ячеек, скорость быстрой зарядки должна быть чрезмерной, чтобы сократить срок службы аккумулятора до уровня, меньшего, чем «полезное» существование портативного продукта (определяемое как время между покупкой продукта потребителем и заменив его на более новую модель).

Заключение

В то время как в лаборатории разрабатываются некоторые новые аккумуляторные технологии, литий-ионный элемент, похоже, в ближайшее время станет основным носителем энергии для портативных устройств. Таким образом, технология будет продолжать интенсивно развиваться, устраняя ее недостатки. Мобильность ионов является одним из этих недостатков и, вероятно, улучшится даже по сравнению с батареями последнего поколения, что приведет к более быстрой зарядке при постоянном токе.

Разработчики

могут воспользоваться преимуществами более быстрой зарядки, выбрав микросхему управления аккумулятором, которая дает им гибкость в выборе скорости зарядки путем выбора одного или двух внешних компонентов или программирования через интерфейс I 2 C. Также стоит учитывать функции безопасности, встроенные в устройства управления батареями, поскольку, хотя современные литий-ионные элементы намного надежнее, чем их предшественники, быстрая зарядка все же представляет некоторые потенциальные опасности, которые разработчикам необходимо учитывать при разработке.

Артикул:

1. « Разработка доступных систем питания со смешанными сигналами для зарядных устройств. », Терри Кливленд, Скотт Дирборн, Microchip Technology Inc.

Заявление об ограничении ответственности: мнения, убеждения и точки зрения, выраженные различными авторами и / или участниками форума на этом веб-сайте, не обязательно отражают мнения, убеждения и точки зрения Digi-Key Electronics или официальную политику Digi-Key Electronics.

Зарядка литий-ионных аккумуляторов и преимущества — PowerTech Systems

Отличие лития

Свинцово-кислотные батареи сделаны из (что неудивительно) смеси свинцовых пластин и серной кислоты. Это был первый тип аккумуляторной батареи, изобретенный еще в 1859 году.

С другой стороны, ионно-литиевые батареи

— это гораздо более новое изобретение, и в коммерчески жизнеспособной форме они существуют только с 1980-х годов.

Литиевая технология

хорошо зарекомендовала себя и хорошо изучена для питания небольшой электроники, такой как ноутбуки или аккумуляторные инструменты, и становится все более распространенной в этих приложениях, вытесняя старые никель-кадмиевые (никель-кадмиевые) аккумуляторные батареи благодаря многочисленным преимуществам лития.

Но, как вы, возможно, помните из множества новостей несколько лет назад о возгорании неисправных аккумуляторов портативных компьютеров, литий-ионные аккумуляторы также заслужили репутацию очень драматичных источников возгорания.

Обычно используемый состав литий-ионных аккумуляторов представлял собой оксид лития-кобальта (LiCoO2), и этот химический состав аккумулятора склонен к тепловому разгоне, если аккумулятор случайно перезарядится. Это может привести к возгоранию аккумулятора — и литиевый огонь горит быстро и горячо.

Это одна из причин того, что до недавнего времени литий редко использовался для создания больших батарейных блоков.

Но в 1996 году была разработана новая формула для смешивания литий-ионных аккумуляторов — литий-железный фосфат e. Эти батареи, известные как LiFePO4 или LFP, имеют немного более низкую плотность энергии, но по своей природе негорючие и, следовательно, намного безопаснее, чем литий-кобальто-оксидные. А если учесть преимущества, то литий-ионные батареи становятся чрезвычайно заманчивыми.

1 / Превосходная «полезная» емкость

В отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, считается практичным регулярно использовать 90% или более номинальной емкости банка литиевых аккумуляторов, а иногда и больше. Рассмотрим батарею на 100 ампер-часов — если бы это была свинцово-кислотная батарея, было бы разумно использовать от 30 до 50 ампер-часов сока, но с литиевым вы могли бы использовать 90 ампер-часов или даже 100 Ач (100% DoD).

Свинцово-кислотная полезная емкость AGM Полезная емкость литий-ионных аккумуляторов
2 / Увеличенный срок службы

Производители и лаборатории сообщают, что от высококачественной батареи LiFePo4 можно ожидать десятков тысяч циклов.Однако это теоретические значения, которые нелегко проверить.
С практической точки зрения и при реальном использовании батареи LiFePo4 стандартного качества могут обеспечивать не менее 2000 циклов заряда / разряда при 80% степени разрядки и разрядке 1С, а оставшаяся емкость остается выше 80%. Эти значения зависят от скорости заряда, глубины разряда, но, что более важно, от качества используемых элементов.

Эти результаты жизненного цикла намного лучше, чем химические составы NMC или NCA, широко используемые в индустрии электромобилей.Напротив, даже лучшие свинцово-кислотные батареи глубокого разряда обычно рассчитаны только на 500-1000 циклов.

Для батарей , таких как произведенные PowerTech Systems , с использованием высококачественных элементов, отсортированных и согласованных, от 4000 до 5000 циклов может быть доставлен при 1С и 80% DoD. Это количество циклов можно значительно увеличить за счет уменьшения глубины разряда (DoD).

На диаграмме ниже показано количество циклов в зависимости от глубины разряда для продуктов PowerBrick, PowerRack и PowerModule:

Количество циклов в зависимости от глубины разряда для продуктов PowerBrick, PowerRack и PowerModule
3 / Потери Пойкерта и провал напряжения практически не существует

Кривая разряда литиевых батарей (особенно свинцово-кислотных) практически плоская — это означает, что батарея, заряженная на 20%, будет обеспечивать почти такое же выходное напряжение, как и батарея, заряженная на 80%.

Это предотвращает любые проблемы, вызванные «провалом напряжения», обычным для свинцово-кислотных аккумуляторов при их разряде, но означает, что любой монитор батареи или автоматический запуск генератора, зависящий от уровней напряжения, скорее всего, не будут работать должным образом при мониторинге литиевого банка.

Кривые литий-ионного разряда

Еще одно огромное преимущество литиевых батарей состоит в том, что потери Пойкерта практически отсутствуют. . Это означает, что литий-ионные батареи могут работать на полную номинальную емкость даже при высоких токах.В то время как свинцово-кислотная может привести к потере мощности до 40% при высоких нагрузках.

На практике это означает, что литий-ионные аккумуляторные батареи очень хорошо подходят для питания сильноточных нагрузок, таких как кондиционер, микроволновая печь или индукционная плита.

Кривые разряда литий-железо-фосфата при различных уровнях C
4 / Преимущества по размеру и весу

Чтобы подчеркнуть уникальные характеристики литий-ионных аккумуляторов с точки зрения веса и размера, возьмем важный пример: свинцово-кислотные и литиевые аккумуляторы.

5 / Быстрая и эффективная зарядка
Литий-ионные аккумуляторы

можно «быстро» зарядить до 100% емкости. В отличие от свинцово-кислотной кислоты, для хранения оставшихся 20% не требуется фаза абсорбции. И, если ваше зарядное устройство достаточно мощное, литиевые батареи также можно заряжать безумно быстро. Если вы можете обеспечить достаточное количество зарядных усилителей, вы сможете полностью зарядить литий-ионный аккумулятор всего за 30 минут.

Но даже если вам не удается полностью зарядить аккумулятор до 100%, не беспокойтесь — в отличие от свинцово-кислотных аккумуляторов, регулярная полная зарядка литий-ионных аккумуляторов не приводит к их повреждению.

Это дает вам большую гибкость при подключении к источникам энергии всякий раз, когда вы можете их получить, не беспокоясь о необходимости регулярно выполнять полную зарядку. Несколько дней с небольшой облачностью в вашей солнечной системе? Нет проблем, что вы не можете долить до захода солнца, пока вы учитываете свои потребности. С литием вы можете заряжать все, что можете, и не беспокоиться о том, что ваш аккумулятор постоянно недозаряжен.

6 / Очень мало потраченной энергии

Свинцово-кислотные батареи менее эффективны в хранении энергии, чем литий-ионные батареи.Литиевые батареи заряжаются с КПД почти 100% по сравнению с КПД большинства свинцово-кислотных аккумуляторов 85%.

Это может быть особенно важно при зарядке от солнечной энергии, когда вы пытаетесь выжать из каждого усилителя как можно больше эффективности, прежде чем солнце сядет или не накроет облака.

Теоретически, с литием почти каждая собранная вами капля солнца идет в ваши батареи. Учитывая ограниченность крыши и места для хранения панелей, это становится очень важным для оптимизации каждого квадратного дюйма мощности, которую вы можете установить.

7 / Устойчивость к климату

Свинцово-кислотные батареи и литиевые теряют свою емкость в холодных условиях. Как видно на диаграмме ниже, литий-ионные батареи намного эффективнее при низких температурах. Кроме того, скорость разряда влияет на производительность свинцово-кислотных аккумуляторов. При -20 ° C литиевая батарея, которая выдает ток 1С (в один раз больше своей емкости), может отдавать более 80% своей энергии, когда батарея AGM обеспечивает 30% своей емкости.

Для суровых условий окружающей среды (горячей и холодной) литий-ионный аккумулятор является технологическим выбором.

Зависимость емкости от температуры
8 / Меньше проблем с размещением
Литий-ионные батареи

не нужно хранить в вертикальном положении или в вентилируемом батарейном отсеке. Их также довольно легко собрать в необычные формы — преимущество, если вы пытаетесь втиснуть как можно больше энергии в небольшой отсек.

Это особенно полезно, если у вас есть батарейный отсек ограниченного размера, но вы хотите или нуждаетесь в большей емкости, чем может обеспечить свинцово-кислотная батарея в настоящее время.

9 / Отсутствие необходимости в обслуживании
Литий-ионные батареи

практически не требуют обслуживания. BMS (система управления батареями) автоматически выполняет процесс «балансировки», чтобы гарантировать, что все элементы в блоке батарей одинаково заряжены. Просто зарядите аккумулятор, и все готово.

Данный товар является исключительной собственностью PowerTech Systems.
Воспроизведение без разрешения запрещено.

Технология литий-ионных аккумуляторов

Мы гордимся тем, что являемся экспертами в области решений для хранения энергии.Вот почему мы выбрали превосходный химический состав аккумуляторов, который был подтвержден десятилетиями исследований и внедрения во многих приложениях. Кроме того, выбранное решение для аккумулирования энергии имеет множество преимуществ по сравнению с современной свинцово-кислотной технологией.

Емкость и срок службы
Все литиевые химические элементы имеют более высокую плотность энергии по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами. Мы используем литий-ионную технологию из-за резкого увеличения плотности энергии по сравнению с нынешними решениями для свинцово-кислотных аккумуляторов.Мы выбрали фосфат лития-железа (LiFePO4), потому что он имеет удельную энергию ~ 110 ватт-часов на килограмм, по сравнению со свинцовыми кислотами ~ 40 ватт-часов на килограмм. Что это значит? Наши батареи могут быть ~ 1/3 веса для аналогичных ампер-часов.

Литий-ионные аккумуляторные батареи не только накапливают больше энергии, но и их срок службы намного превышает срок службы свинцово-кислотных и многих других литиевых компонентов.

На химический состав каждого элемента батареи влияет глубина разряда, и чем глубже разряд, тем короче срок службы.Наши литий-ионные аккумуляторы могут разряжаться до 80%, сохраняя при этом длительный срок службы (> 3500 циклов). Срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов резко сокращается. Фактически, при глубине разряда 80% свинцово-кислотные батареи служат всего 1000-1500 циклов, что означает, что наши батареи служат в 3 раза дольше.


Скорость и эффективность
Наши литий-ионные аккумуляторы быстрые. Они могут быть полностью заряжены быстро и выдерживают сверхбыструю зарядку до 1С (полная зарядка за 1 час).Свинцово-кислотный аккумулятор можно быстро зарядить только до 80%, после чего зарядный ток резко упадет. Кроме того, наши аккумуляторные блоки обеспечивают отличную производительность при скорости разряда до 3C (полная разрядка за 1/3 часа) или 5C в импульсном режиме. Свинцово-кислотный аккумулятор по сравнению с ним испытывает резкое падение напряжения и снижение емкости. Фактически, профиль разряда литий-ионного аккумулятора показывает, что напряжение и мощность остаются почти постоянными на протяжении всего разряда, в отличие от свинцово-кислотного. Это означает, что даже когда батарея разряжается, производительность остается высокой.

Так же нет проблем с памятью, разрядите и зарядите аккумулятор в любой момент без последствий. В случае свинцово-кислотных аккумуляторов неполная зарядка приводит к сульфатации, которая повреждает аккумуляторы. Это также происходит при хранении свинцово-кислотного аккумулятора, когда он не полностью заряжен. С нашей литий-ионной батареей храните аккумулятор при любом уровне заряда, кроме близкого к нулю.


Безопасность и надежность
При поиске передовых литиевых батарей можно выбирать из большого разнообразия химикатов.Мы выбрали фосфат лития-железа (LiFePO4), потому что он имеет три преимущества, которые делают его очевидным выбором для тяжелых работ.

  1. Он термически стабилен до очень высоких температур, что означает отсутствие теплового разгона. Аккумуляторы можно безопасно использовать при температуре окружающей среды до 55 ° C (131 ° F). Работа свинцово-кислотных аккумуляторов при такой температуре сокращает срок их службы на целых 80%.

  2. Фосфат лития-железа обеспечивает чрезвычайно длительный срок службы, при этом конкурирующие химические вещества либо слишком дороги (титанат лития), либо слишком нестабильны (оксид лития, никеля, кобальта, алюминия).

  3. Литий-фосфат железа обеспечивает большую мощность и большую удельную энергию, чем свинцово-кислотный и многие другие литиевые химические соединения, поэтому он идеально подходит для сложных работ и эффективных решений для хранения энергии.

Не все литиевые батареи одинаковы. Есть несколько факторов, которые влияют на создание высокопроизводительной, долговечной и, что самое главное, безопасной батареи. Одним из основных факторов, которые следует учитывать, является сертификация UL или, как минимум, проверка того, что батарея разработана в соответствии со стандартами UL.

Знаете ли вы, что литий-ионные аккумуляторные батареи не требуют обслуживания? Запрещается добавлять электролит и нет опасности проливания кислоты или опасных паров. В наших тематических исследованиях требовалось меньше батарей по сравнению со свинцово-кислотными, поэтому места для хранения не требуется.

Эргономический риск : Ситуации, которые могут представлять опасность для людей. К ним относятся любой физический износ тела или несчастные случаи, связанные с травмами.

Признано UL: Признано UL не распространяется на полные продукты.Вместо этого основное внимание уделяется компонентам и деталям, которые используются в других продуктах. Он подтверждает, что компонент в более крупном механизме соответствует стандартам UL. Получить сертификат UL легче, чем получить сертификат UL.

Вилочный погрузчик класса 1: Вилочные погрузчики класса 1, также известные как вилочные погрузчики с электродвигателем, могут быть стоячими или сидячими моделями. Эти вилочные погрузчики могут включать в себя погрузчики с противовесом или трехколесные погрузчики. Эти погрузчики могут обрабатывать грузоподъемность 8000 фунтов. или более, что делает их незаменимыми при подъеме тяжелых материалов по всему объекту.

Вилочный погрузчик класса 2: Эти вилочные погрузчики используются для различных задач и могут включать в себя комплектовщики заказов, подъемные погрузчики, узкопроходные вилочные погрузчики и многое другое. Многие из этих вилочных погрузчиков предназначены для работы в ограниченном пространстве и узких проходах.

Вилочный погрузчик класса 3: Эти вилочные погрузчики включают домкраты для поддонов, портативные штабелеры, концевые и центральные райдеры. Вилочные погрузчики класса 3 предназначены для подъема грузов на несколько дюймов от земли для транспортировки. У них минимальная грузоподъемность (т.е. подъем поддона над землей), используемый для транспортировки материалов по объекту.

Номинальный ток: Максимальный ток, который предохранитель будет удерживать в течение некоторого времени без его ухудшения.

Термическая стабильность: Стабильность жидкости и ее способность сопротивляться разрушению при тепловом стрессе. Если нагрев достигнет максимальной температуры, жидкость испортится.

SEI Film: SEI пленка (твердый электролит между фазами) — это слой, который образуется в результате разложения или разрушения электролита в батарее.Это важно для литий-ионных аккумуляторов, поскольку влияет на срок службы.

Внутреннее сопротивление: Внутреннее сопротивление — это сопротивление в батарее, которое вызывает падение напряжения источника при наличии тока. Внутреннее сопротивление ограничивает подачу напряжения и определяет время работы батареи.

Что на самом деле происходит, когда литиевые батареи чрезмерно заряжены или глубоко разряжены? — Jauch Blog-Seite

Процесс зарядки:

Литиевые батареи заряжаются постоянным током до 4.В ячейках достигается 2 В. Далее напряжение поддерживается постоянным, а зарядка продолжается в течение определенного времени. Затем зарядное устройство отключает дальнейшую зарядку либо по истечении заданного времени, либо по достижении минимального тока. В том редком случае, когда зарядное устройство не выключается, например, продолжает пропускать зарядный ток, на элементе имеется электронная схема защиты и, возможно, элемент пассивной безопасности. Эти защитные механизмы обеспечивают безопасность пользователя. Но какие опасности могут возникнуть при чрезмерном заряде или глубоком разряде аккумуляторов?

Для безопасной эксплуатации литиевых батарей и увеличения срока их службы не допускайте их чрезмерного заряда или глубокого разряда.

Что происходит, если аккумулятор слишком заряжен?

Если ни зарядное устройство, ни схема защиты не останавливают процесс зарядки, то в элемент поступает все больше и больше энергии. В результате напряжение в элементе повышается — это называется чрезмерной зарядкой. С одной стороны, это вредно для аккумулятора и сказывается на сроке его службы. С другой стороны, это может представлять угрозу безопасности пользователя. Избыточная энергия приводит к выделению тепла. «В худшем случае это может привести к так называемому« тепловому выходу из строя ».Это означает, что температура в ячейке продолжает повышаться и с нее начинаются химические реакции, которые протекают по экспоненте. Эти реакции уже невозможно остановить », — объясняет д-р Юрген Хейдеке. В случае литиевых батарей это может привести к открытию элемента и возможному сгоранию. «При использовании литий-полимерных батарей следует также отметить, что в элементе может происходить газообразование, что приводит к сильному набуханию элемента». Следующим шагом также будет тепловой разгон и, как следствие, выгорание.”

А как насчет глубокого разряда?

Это происходит, когда напряжение элемента падает значительно ниже напряжения отключения. Само по себе это явление не приводит к каким-либо проблемам с безопасностью. Тем не менее, это медленно снижает производительность элемента, что также может привести к разбуханию аккумулятора при определенных обстоятельствах.

«Если аккумулятор действительно сильно разряжен, при последующей подзарядке необходимо соблюдать особые меры предосторожности. С помощью очень низкого тока необходимо попытаться восстановить базовое напряжение, чтобы затем зарядка могла нормально возобновиться с 3 В », — говорит Хейдеке.

Выдача ключей:

Поэтому пользователи должны убедиться, что используются подходящие зарядные устройства и избегать повреждения устройств и аккумуляторов. Это гарантирует, что защитные механизмы могут сработать в аварийной ситуации, и предотвращает опасности, которые могут возникнуть, особенно при перезарядке литиевых батарей.

Еще из нашей серии «Спроси доктора химических наук»:

Какие особенности следует учитывать при проектировании литий-полимерного элемента?

В чем разница между модулем схемы защиты (PCM) и системой управления батареями (BMS)?

Менеджер по маркетингу в штаб-квартире нашей компании в Филлинген-Швеннингене — любит писать, готовить и быть активным.

Северо-восточная батарея | Блог | Увеличение срока службы батареи

Литиевые батареи занимают лидирующие позиции в никель-кадмиевых батареях благодаря своей стабильности и относительно низкому техническому обслуживанию. Кроме того, скорость саморазряда в два раза ниже, чем у никелевой батареи, и при обнажении элементов практически не возникает никакого вреда.

Несмотря на то, что литиевая батарея имеет много преимуществ, она все же имеет свои ограничения и недостатки. Вот почему так важно точно понимать, как ухаживать за литиевой батареей и как продлить ее срок службы.

Горячие температуры

Как и большинство батарей, литиевые батареи необходимо хранить при более низких температурах на градусов. Чем выше температура, тем выше скорость саморазряда.

Pro Совет: попробуйте хранить аккумулятор при температуре около 68 ° F. Поскольку при зарядке и использовании аккумулятора выделяется тепло, вы должны дать аккумулятору остыть между зарядкой и использованием. Это один из самых эффективных способов продлить жизнь любой батареи.

Низкие температуры

Как тепло может сократить срок службы батареи, так и холод может. Позволяя им немного согреться на солнце или возле обогревателя в холодный день, вы поможете зарядить батарею быстрее — и поддерживать их работоспособность, чтобы вам не приходилось так часто менять батареи или подзаряжать.

В целях безопасности, независимо от температуры на улице, храните батареи внутри. Температура в помещении, как правило, остается довольно стабильной в течение года, как и обычно бывает меньше влажности.

Влажность

Литий и вода — две вещи, которые нельзя смешивать. Когда они это сделают, берегитесь. Они образуют гидроксид лития и водород, который легко воспламеняется. Если ваша литиевая батарея загорится по какой-либо причине, поливание ее водой только усугубит ситуацию. Убедитесь, что у вас под рукой есть огнетушитель класса D (и что батареи для дымовых извещателей и свежие!).

Лучше всего хранить литиевые батареи вдали от источников воды.Несмотря на то, что корпус батареи предназначен для отвода влаги от элементов батареи, ничто не является защитой от несчастных случаев.

Управление разгрузкой

Заряжайте батареи, пока они не разрядились полностью. Если не дать ему полностью разрядиться, срок службы аккумулятора увеличится.

Если вы собираетесь хранить батареи в течение определенного периода времени, убедитесь, что вы делаете это наполовину заряженным. В отличие от других типов батарей, которые необходимо заряжать на протяжении всего срока хранения, литиевые батареи лучше работают при глубине разряда 40% -50%.

Pro-Tip: после каждых 30 зарядок дайте литиевой батарее полностью разрядиться перед подзарядкой. Это помогает избежать состояния, называемого цифровой памятью. Цифровая память может испортить точность показаний измерителя мощности устройства, которое вы используете. Дождавшись полной разрядки, вы позволите манометру сбросить свои значения.

Напряжение

У многих аккумуляторов заканчивается срок службы из-за того, что они были заряжены неправильным напряжением. Одним из преимуществ использования литиевых батарей является то, что они обеспечивают быструю подзарядку, поэтому нет необходимости вмешиваться в процесс.Вы только нанесете ущерб, который невозможно исправить. Как правило, для литий-ионного аккумулятора 12 В наилучшее напряжение зарядки, обеспечивающее максимальный срок службы, составляет 14,6 В.

Несмотря на то, что не все батареи созданы одинаково, за каждым из них необходимо надлежащим образом ухаживать, чтобы обеспечить их максимальный потенциал. Это означает понимание требований особого ухода за батареями различных типов . Следите за температурой хранения, следите за тем, чтобы они были сухими, и убедитесь, что вы заряжаете правильно, у вас всегда будет надежный аккумулятор, когда он вам понадобится.

как мир будет производить достаточно?

Эра электромобилей приближается. Ранее в этом году американский автомобильный гигант General Motors объявил, что он намерен прекратить продажу бензиновых и дизельных моделей к 2035 году. Компания Audi, базирующаяся в Германии, планирует прекратить производство таких автомобилей к 2033 году. Многие другие автомобильные транснациональные корпорации выпустили аналогичные дорожные карты. . Внезапно попытки крупных автопроизводителей электрифицировать свои автопарки превратились в спешку к выходу.

Электрификация личной мобильности набирает обороты, о чем несколько лет назад не могли и мечтать даже самые ярые ее сторонники. Во многих странах постановление правительства ускорит изменения. Но даже без новой политики или правил половина мировых продаж легковых автомобилей в 2035 году будет приходиться на электроэнергию, по данным консалтинговой компании BloombergNEF (BNEF) в Лондоне.

Это масштабное промышленное преобразование знаменует собой «переход от топливоемкой к материалоемкой энергетической системе», как заявило Международное энергетическое агентство (МЭА) в мае. 1 .В ближайшие десятилетия сотни миллионов транспортных средств выйдут на дороги с массивными батареями внутри (см. «Переход на электричество»). И каждая из этих батарей будет содержать десятки килограммов материалов, которые еще предстоит добыть.

Источник: исх. 2

Предвидя мир, в котором будут преобладать электромобили, материаловеды работают над двумя большими проблемами. Один из них — как сократить количество металлов в батареях, которые являются дефицитными, дорогими или проблематичными, поскольку их добыча сопряжена с серьезными экологическими и социальными издержками.Другой — улучшить переработку аккумуляторов, чтобы ценные металлы в отработанных автомобильных аккумуляторах можно было эффективно повторно использовать. «Переработка будет играть ключевую роль в этом процессе», — говорит Кваси Ампофо, горный инженер, ведущий аналитик BNEF по металлургии и добыче полезных ископаемых.

Производители аккумуляторов и автомобилей уже тратят миллиарды долларов на сокращение затрат на производство и переработку аккумуляторов электромобилей (EV) — отчасти благодаря государственным стимулам и ожиданию предстоящих нормативных актов.Национальные спонсоры исследований также основали центры по изучению более эффективных способов производства и переработки батарей. Поскольку добыча металлов в большинстве случаев все еще обходится дешевле, чем их переработка, ключевая цель состоит в разработке процессов извлечения ценных металлов с достаточно низкой стоимостью, чтобы конкурировать с только что добытыми. «Больше всего болтают о деньгах», — говорит Джеффри Спангенбергер, инженер-химик из Аргоннской национальной лаборатории в Лемонте, штат Иллинойс, который руководит финансируемой США инициативой по переработке литий-ионных аккумуляторов под названием ReCell.

Литиевое будущее

Первая задача исследователей — сократить количество металлов, которые необходимо добывать для батарей электромобилей. Количество различается в зависимости от типа аккумулятора и модели автомобиля, но одна автомобильная литий-ионная аккумуляторная батарея (типа, известного как NMC532) может содержать около 8 кг лития, 35 кг никеля, 20 кг марганца и 14 кг кобальт, согласно данным Аргоннской национальной лаборатории.

Аналитики не ожидают в ближайшее время отказа от литий-ионных батарей: их стоимость упала настолько резко, что они, вероятно, станут доминирующей технологией в обозримом будущем.Сейчас они в 30 раз дешевле, чем тогда, когда они впервые вышли на рынок в качестве небольших портативных батарей в начале 1990-х годов, даже несмотря на то, что их характеристики улучшились. BNEF прогнозирует, что стоимость литий-ионных аккумуляторных батарей для электромобилей к 2023 году упадет ниже 100 долларов США за киловатт-час, что примерно на 20% ниже, чем сегодня (см. «Резкое снижение стоимости аккумуляторов»). В результате электромобили, которые по-прежнему дороже обычных, должны достичь паритета цен к середине 2020-х годов. (По некоторым оценкам, электромобили уже дешевле, чем автомобили с бензиновым двигателем, в течение всего срока их службы, благодаря меньшей стоимости питания и обслуживания.)

Для производства электричества литий-ионные батареи перемещают ионы лития из одного слоя, называемого анодом, в другой, катод. Они разделены еще одним слоем — электролитом. Катоды — главный ограничивающий фактор в характеристиках аккумуляторов, и именно в них находятся самые ценные металлы.

Катод типичного литий-ионного аккумуляторного элемента представляет собой тонкий слой слизи, содержащей кристаллы микромасштаба, которые часто похожи по структуре на минералы, встречающиеся в естественной коре или мантии Земли, такие как оливины или шпинели.Кристаллы соединяют отрицательно заряженный кислород с положительно заряженным литием и различными другими металлами — в большинстве электромобилей это смесь никеля, марганца и кобальта. Перезарядка батареи вырывает ионы лития из этих кристаллов оксида и притягивает ионы к аноду на основе графита, где они хранятся, зажатые между слоями атомов углерода (см. «Электрическое сердце»).

Источник: адаптировано из G. Harper et al. Natur e 575 , 75–86 (2019) и G. Предложение et al.Природа 582 , 485–487 (2020).

Литий сам по себе не в дефиците. В июньском отчете BNEF 2 было подсчитано, что текущие запасы этого металла — 21 миллион тонн, по данным Геологической службы США — достаточны для перехода на электромобили до середины века. И запасы — это податливая концепция, потому что они представляют собой количество ресурса, который может быть экономически выгодно извлечен при текущих ценах и с учетом текущих технологий и нормативных требований.Для большинства материалов, если спрос возрастет, в конечном итоге тоже появятся запасы.

По словам Ампофо, по мере того как автомобили электрифицируются, проблема заключается в увеличении производства лития для удовлетворения спроса. «В период с 2020 по 2030 год он вырастет примерно в семь раз».

Это может привести к временному дефициту и резким колебаниям цен, говорит он. Но икота на рынке не изменит картину в долгосрочной перспективе. «По мере наращивания производственных мощностей эта нехватка, вероятно, исчезнет сама собой», — говорит Хареш Камат, специалист по хранению энергии в Исследовательском институте электроэнергетики в Пало-Альто, Калифорния.

Отложения соли на заводе по производству лития на солончаках Уюни в Потоси, Боливия Фото: Карлос Бесерра / Bloomberg / Getty

Увеличение добычи лития несет в себе собственные проблемы для окружающей среды: существующие формы добычи требуют большого количества энергии (для лития, извлекаемого из породы) или воды (для извлечения из рассолов). Но более современные методы извлечения лития из геотермальной воды с использованием геотермальной энергии для управления процессом считаются более безопасными.И, несмотря на этот ущерб окружающей среде, добыча лития поможет заменить разрушительную добычу ископаемого топлива.

Исследователей больше беспокоит кобальт, который является наиболее ценным ингредиентом современных аккумуляторов электромобилей. Две трети мировых запасов добываются в Демократической Республике Конго. Активисты-правозащитники выразили обеспокоенность по поводу условий там, в частности по поводу детского труда и вреда для здоровья рабочих; как и другие тяжелые металлы, кобальт токсичен при неправильном обращении.Можно использовать альтернативные источники, такие как богатые металлами «конкреции», обнаруженные на морском дне, но они представляют свою собственную опасность для окружающей среды. Никель, еще один важный компонент аккумуляторов электромобилей, также может столкнуться с нехваткой 3 .

Управление металлами

Чтобы решить проблемы с сырьем, ряд лабораторий экспериментировали с катодами с низким содержанием кобальта или без кобальта. Но материалы катода должны быть тщательно спроектированы так, чтобы их кристаллические структуры не разрушались, даже если более половины ионов лития удаляется во время зарядки.А полный отказ от кобальта часто снижает удельную энергию батареи, говорит ученый-материаловед Арумугам Мантирам из Техасского университета в Остине, потому что он изменяет кристаллическую структуру катода и то, насколько прочно он может связывать литий.

Мантирам входит в число исследователей, которые решили эту проблему — по крайней мере, в лаборатории — показав, что кобальт можно удалить с катодов без ущерба для рабочих характеристик. 4 . «Материал, не содержащий кобальта, о котором мы сообщаем, имеет ту же кристаллическую структуру, что и оксид лития-кобальта, и, следовательно, такую ​​же плотность энергии» или даже лучше, — говорит Мантирам.Его команда добилась этого, отрегулировав способ производства катодов и добавив небольшие количества других металлов, сохранив при этом кристаллическую структуру оксида кобальта катода. Мантирам говорит, что внедрение этого процесса на существующих заводах должно быть несложным, и основал новую фирму под названием TexPower, чтобы попытаться вывести ее на рынок в течение следующих двух лет. Другие лаборатории по всему миру работают над безкобальтовыми батареями: в частности, новаторский производитель электромобилей Tesla, базирующийся в Пало-Альто, Калифорния, заявил, что планирует исключить металл из своих аккумуляторов в ближайшие несколько лет.

Сунь Янг-Кук из Университета Ханян в Сеуле, Южная Корея, еще один ученый-материаловед, достигший аналогичных показателей в работе с бескобальтовыми катодами. Sun говорит, что при создании новых катодов могут остаться некоторые технические проблемы, потому что процесс основан на переработке богатых никелем руд, для чего может потребоваться дорогая атмосфера чистого кислорода. Но многие исследователи теперь считают проблему кобальта практически решенной. Мантирам и Сан «показали, что можно делать действительно хорошие материалы без кобальта, и [они] работают очень хорошо», — говорит Джефф Дан, химик из Университета Далхаузи в Галифаксе, Канада.

Рабочие добывают кобальт возле шахты между Лубумбаши и Колвези в Демократической Республике Конго Фото: Федерико Скоппа / AFP / Getty

Никель, хотя и не такой дорогой, как кобальт, тоже не дешев. Исследователи тоже хотят его удалить. «Мы решили проблему нехватки кобальта, но из-за того, что мы так быстро масштабируемся, мы идем прямо к проблеме никеля», — говорит Гербранд Седер, ученый-материаловед из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния.Но удаление как кобальта, так и никеля потребует перехода на совершенно другие кристаллические структуры катодных материалов.

Один из подходов — использовать материалы, называемые неупорядоченными каменными солями. Они получили свое название из-за своей кубической кристаллической структуры, которая похожа на структуру хлорида натрия, где кислород играет роль хлора, а смесь тяжелых металлов заменяет натрий. За последнее десятилетие команда Седера и другие группы показали, что определенные богатые литием каменные соли позволяют литию легко входить и выходить — важное свойство, позволяющее производить повторную зарядку. 5 .Но, в отличие от обычных катодных материалов, неупорядоченные каменные соли не требуют, чтобы кобальт или никель оставались стабильными во время этого процесса. В частности, они могут быть сделаны из марганца, который дешев и в большом количестве, говорит Седер.

Утилизация лучше

Если батареи будут производиться без кобальта, исследователи столкнутся с непредвиденными последствиями. Металл является основным фактором, который делает переработку аккумуляторов экономичной, поскольку добыча других материалов, особенно лития, в настоящее время обходится дешевле, чем переработка.

На типичном заводе по переработке аккумуляторы сначала измельчаются, в результате чего элементы превращаются в порошкообразную смесь всех используемых материалов. Затем эта смесь распадается на элементарные составляющие, либо путем ее сжижения в плавильном заводе (пирометаллургия), либо путем растворения в кислоте (гидрометаллургия). Наконец, металлы осаждаются из раствора в виде солей.

Механический измельчитель батарейных модулей, показанный на этом фото, на заводе по переработке отходов в Дузенфельде в Германии Фото: Вольфрам Шролл / Duesenfeld

Исследования были сосредоточены на улучшении процесса, чтобы сделать переработанный литий экономически привлекательным.Подавляющее большинство литий-ионных аккумуляторов производится в Китае, Японии и Южной Корее; соответственно, возможности вторичной переработки там растут быстрее всего. Например, расположенная в Фошане компания Guangdong Brunp — дочерняя компания CATL, крупнейшего в Китае производителя литий-ионных элементов — может перерабатывать 120 000 тонн батарей в год, по словам представителя компании. Это эквивалент того, что будет использоваться в более чем 200 000 автомобилей, и компания способна восстановить большую часть лития, кобальта и никеля. Политика правительства способствует этому: в Китае уже есть финансовые и нормативные стимулы для компаний, производящих аккумуляторные батареи, которые получают материалы у компаний по переработке, а не импортируют только что добытые, — говорит Ханс Эрик Мелин, управляющий директор консалтинговой компании Circular Energy Storage в Лондоне.

Европейская комиссия предложила строгие требования по переработке аккумуляторов, которые могут быть введены поэтапно с 2023 года — хотя перспективы этого блока по развитию отечественной индустрии переработки являются неопределенными. 6 . Администрация президента США Джо Байдена, тем временем, хочет потратить миллиарды долларов на развитие отечественной индустрии производства аккумуляторов для электромобилей и поддержку утилизации, но еще не предложила правила, выходящие за рамки существующего законодательства, классифицирующие аккумуляторы как опасные отходы, которые необходимо безопасно утилизировать. .Некоторые начинающие компании в Северной Америке заявляют, что они уже могут извлекать большую часть металлов из аккумуляторных батарей, включая литий, по затратам, которые сопоставимы с затратами на их добычу, хотя аналитики говорят, что на данном этапе общая экономическая выгода только потому, что кобальт.

Измельченный аккумуляторный порошок, или «черная масса», очищается от пластин на предприятии по переработке аккумуляторов Li-Cycle в Кингстоне, Онтарио, Канада. Фото: Christinne Muschi / Bloomberg / Getty

Более радикальный подход состоит в том, чтобы повторно использовать катодные кристаллы, а не разрушать их структуру, как это делают гидро- и пирометаллургия.ReCell, совместное предприятие стоимостью 15 миллионов долларов США, которым управляет Спангенбергер, включает три национальных лаборатории, три университета и множество игроков отрасли. Он разрабатывает методы, которые позволят переработчикам извлекать катодные кристаллы и перепродавать их. Одним из важных шагов после того, как батареи были измельчены, является отделение катодных материалов от остальных с помощью тепла, химикатов или других методов. «Причина, по которой мы с таким энтузиазмом относимся к сохранению кристаллической структуры, заключается в том, что для ее создания потребовалось много энергии и ноу-хау.В этом заключается большая ценность », — говорит Линда Гейнс, физико-химик из Аргонна и главный аналитик ReCell.

Эти методы обработки работают с различными кристаллическими структурами и составами, говорит Гейнс. Но если центр переработки получает поток отходов, который включает в себя многие типы батарей, различные типы катодного материала в конечном итоге попадут в котел для переработки. Это может усложнить попытки выделить различные типы катодных кристаллов. Хотя процессы, разработанные ReCell, позволяют легко отделить никель, марганец и кобальт от других типов ячеек, таких как, например, те, которые используют фосфат лития-железа, им будет сложно разделить два типа, которые оба содержат кобальт и никель, но в разных пропорции.По этой и другим причинам, для аккумуляторов будет крайне важно иметь какой-то стандартизированный штрих-код, который сообщает переработчикам, что находится внутри, говорит Спангенбергер.

Рабочий автомобильной фирмы Renault готовится разобрать аккумулятор. Компания заявляет, что перерабатывает все свои аккумуляторы для электромобилей — на данный момент всего пару сотен в год Фото: Оливье Геррен, Photothèque Veolia

Еще одно потенциальное препятствие заключается в том, что химический состав катодов постоянно развивается.Катоды, которые производители будут использовать через 10–15 лет — в конце жизненного цикла современных автомобилей — вполне могут отличаться от нынешних. Самый эффективный способ получить материалы — это для производителя собрать свои собственные батареи в конце жизненного цикла. И батареи должны разрабатываться с нуля так, чтобы их было легче разбирать, добавляет Гейнс.

Специалист по материалам Эндрю Эбботт из Университета Лестера, Великобритания, утверждает, что переработка будет намного более прибыльной, если она пропускает стадию измельчения и напрямую разбирает клетки.Он и его сотрудники разработали метод разделения катодных материалов с помощью ультразвука 7 . Это лучше всего работает с аккумуляторными элементами, которые упакованы плоско, а не свернутыми (как обычные «цилиндрические» элементы), и, добавляет Эбботт, может сделать переработанные материалы намного дешевле, чем первичные металлы. Он участвует в правительственной программе исследования устойчивости аккумуляторов Великобритании стоимостью 14 миллионов фунтов стерлингов (19 миллионов долларов США) под названием ReLiB.

Увеличьте объемы

Какие бы процессы переработки не стали стандартными, масштабирование поможет.По словам Мелина, хотя в сообщениях СМИ надвигающийся поток отработанных батарей описывается как надвигающийся кризис, аналитики видят в этом большие возможности. Как только у миллионов больших батарей закончится срок службы, появится эффект масштаба, который сделает переработку более эффективной, а экономическое обоснование этого — более привлекательной.

Трубопровод для производства электромобилей на заводе Nio в Хэфэе, Китай Фото: Цилай Шен / Bloomberg / Getty

Аналитики говорят, что пример свинцово-кислотных аккумуляторов — тех, с которых заводятся бензиновые автомобили — дает повод для оптимизма.Поскольку свинец токсичен, эти батареи классифицируются как опасные отходы и подлежат безопасной утилизации. Но вместо этого возникла эффективная промышленность, в которой их перерабатывают, даже несмотря на то, что свинец дешев. «Более 98% свинцово-кислотных аккумуляторов восстанавливаются и перерабатываются», — говорит Камат. «Ценность свинцово-кислотных аккумуляторов даже ниже, чем литий-ионных. Но из-за объема в любом случае есть смысл утилизировать », — говорит Мелин.

Может пройти некоторое время, прежде чем рынок литий-ионных аккумуляторов достигнет своего полного размера, отчасти потому, что эти аккумуляторы стали исключительно долговечными: нынешние автомобильные аккумуляторы могут прослужить до 20 лет, говорит Камат.В типичном электромобиле, продаваемом сегодня, аккумуляторная батарея переживет автомобиль, в который он был встроен, говорит Мелин.

Это означает, что когда старые электромобили отправляются на металлолом, аккумуляторы часто не выбрасывают и не перерабатывают. Вместо этого их вынимают и повторно используют для менее требовательных приложений, таких как стационарные накопители энергии или приводы лодок. После десяти лет использования автомобильный аккумулятор, такой как Nissan Leaf, который первоначально имел 50 киловатт-часов, потеряет не более 20% своей емкости.

Еще один майский отчет МЭА, организации, известной своими исторически осторожными прогнозами, включал дорожную карту 8 по достижению к середине века чистых нулевых выбросов, которая включает в себя переход на электрический транспорт в качестве краеугольного камня. Уверенность в том, что это достижимо, отражает растущий консенсус среди политиков, исследователей и производителей в отношении того, что проблемы электрификации автомобилей теперь полностью решаемы — и что если мы хотим иметь хоть какую-то надежду удержать изменение климата на управляемом уровне, нельзя терять время. .

Но некоторые исследователи жалуются, что электромобили, кажется, соответствуют невыполнимым стандартам с точки зрения воздействия их батарей на окружающую среду. «Было бы неудачно и контрпродуктивно отказываться от хорошего решения, настаивая на идеальном решении», — говорит Камат. «Это, конечно, не означает, что мы не должны активно работать над вопросом утилизации батарей».

Новая литиевая батарея заряжается быстрее, снижает риск взрыва устройства

Батареи сотовых телефонов часто нагреваются, а временами могут загореться.В большинстве случаев виновником таких инцидентов могут быть литиевые батареи. Несмотря на то, что литиевые батареи обеспечивают длительные электрические токи, которые могут поддерживать питание устройств, литиевые батареи могут иметь внутреннее короткое замыкание, нагревая устройство.

Исследователи из Техасского университета A&M изобрели технологию, которая может предотвратить нагрев и выход литиевых батарей из строя. Их конструкция из углеродных нанотрубок для проводящей пластины батареи, называемой анодом, позволяет безопасно хранить большое количество ионов лития, тем самым снижая риск возгорания.Кроме того, исследователи заявили, что их новая анодная архитектура поможет литиевым батареям заряжаться быстрее, чем современные коммерчески доступные батареи.

«Мы разработали аноды следующего поколения для литиевых батарей, которые эффективно генерируют большие и устойчивые токи, необходимые для быстрой зарядки устройств», — сказал Джуран Но, аспирант материаловедения лаборатории доктора Чунхо Ю в лаборатории Дж. Майка Уокера. ’66 Машиностроительный факультет. «Кроме того, эта новая архитектура предотвращает накопление лития за пределами анода, что со временем может вызвать непреднамеренный контакт между содержимым двух отсеков батареи, что является одной из основных причин взрывов устройства.”

Их результаты опубликованы в мартовском номере журнала Nano Letters .

Когда используются литиевые батареи, заряженные частицы перемещаются между двумя отсеками батареи. Электроны, отданные атомами лития, перемещаются с одной стороны батареи на другую. С другой стороны, ионы лития движутся в обратном направлении. При зарядке аккумулятора ионы и электроны лития возвращаются в свои исходные отсеки.

Следовательно, свойство анода или электрического проводника, в котором находятся ионы лития внутри батареи, играет решающую роль в свойствах батареи.Обычно используемый анодный материал — графит. В этих анодах ионы лития вставлены между слоями графита. Однако, по словам Но, такая конструкция ограничивает количество ионов лития, которые могут накапливаться внутри анода, и даже требует больше энергии для вытягивания ионов из графита во время зарядки.

У этих аккумуляторов есть еще более коварная проблема. Иногда ионы лития не равномерно осаждаются на аноде. Вместо этого они накапливаются на поверхности анода кусками, образуя древовидные структуры, называемые дендритами.Со временем дендриты разрастаются и в конечном итоге пробивают материал, разделяющий два отсека батареи. Это нарушение вызывает короткое замыкание аккумулятора и может привести к возгоранию устройства. Растущие дендриты также влияют на производительность батареи, потребляя ионы лития, делая их недоступными для генерации тока.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *