Як правильно заряджати літій іонний акумулятор

Літій-іонні елементи як відновлювані електрохімічні джерела струму стрімко завоювали значну частину ринку мобільних акумуляторів електроенергії. Маючи безліч плюсів, вони мають і певні недоліки, один з яких - відносно висока вартість. Щоб продовжити життя недешевих елементів, треба знати і дотримуватися правил заряджання літієвих акумуляторів.

Як зарядити літій іонний акумулятор

Ідеально правильний процес поповнення запасу енергії літій-іонного елемента складається із двох етапів:

• спочатку батарея заряджається стабільним струмом – для підтримки цього режиму в міру заряджання напруга джерела зарядного струму збільшується;
• другий етап проводиться при досягненні рівня 80-85% ємності та виконується стабільною напругою (струм при цьому падає).

На малюнку є і попередній етап зарядки – він робиться малим струмом (до 0,1С). Ця стадія застосовується до глибоко розряджених елементів – спочатку вони доводяться до вихідного рівня 2,45 вольта, потім заряджаються до номіналу в штатному режимі.

Щоб не ускладнювати схемотехніку зарядних пристроїв, етап зарядки стабільною напругою виконують за допомогою живлення імпульсного струму, що заряджається батарейки так, щоб ширина імпульсу постійно зменшувалася - це веде до постійного середнього значення напруги.

Заряджання батареї імпульсним струмом.

Інший варіант формування постійної напруги - заряджання ступінчастим струмом, який поетапно знижується до кінця зарядки. При цьому досягається приблизно постійна напруга на виводах батареї.

Заряджання ступінчастим струмом.

Часто і цей етап вироджується в один щабель - при досягненні потрібного рівня зарядний струм поступово знижується вдвічі. Напруга у своїй зростає, але вважатимуться його умовно-постійним.

Заряджання одноступеневим струмом.

Залежно від призначення зарядні пристрої мають різні схеми виконання та використовують різні алгоритми поповнення енергії акумуляторів – від ідеальних до спрощених.

Вибір струму

Для нормального заряду вибирається струм першого етапу в районі 0,2 С. Наприклад, для акумулятора форм-фактора 18650 ємністю 3000 мА*год такий струм становитиме 600 мА, процес для повністю розрядженої батарейки затягнеться на 5 годин. Щоб прискорити зарядку li-ion елемента, на нього можна подавати струм від 0,5 до С - це вважається нормальним. Струм вище С (аж до 5С) вважається режимом Fast charge (швидка зарядка). При цьому батарея заряджається швидше, але термін служби її знижується.

При струмах нижче 0,3С другий етап (при стабільному напрузі) не є обов'язковим. За цей час акумулятор і так заряджається до номіналу. Для струмів від 0,5С та вище друга стадія необхідна.

Час заряду

Час заряду літій-іонного акумулятора залежить здебільшого від трьох факторів:

• зарядного струму;
• фактичної (залишкової) ємності батареї;
• ступенем зарядженості батареї перед початком процесу поповнення енергії.

Залежно від поєднання цих трьох умов, батарея може заряджатися від кількох хвилин до кількох годин, тому виконати точний розрахунок часу підзаряду дуже складно, та на практиці не потрібно. Процес має бути закінчений, коли на висновках АКБ рівень напруги досягне 4,2 вольта. Якщо заряджання ведеться під керуванням контролера, він відключить акумулятор автоматично. Якщо ні – слідкувати за цим доведеться самостійно.

Нюанси заряджання китайськими модулями

На торгових майданчиках в інтернеті можна придбати невеликі плати для створення зарядних пристроїв літій-іонних джерел живлення виробництва Південно-Східної Азії. Це хороший спосіб організувати недорогий та ефективний зарядний пристрій. Треба лише усвідомлювати, що якість перекладу на торгових майданчиках в інтернеті невисока, і за назвою зарядного пристрою можуть пропонуватися:

• власне контролер зарядки;
• плата балансира (BMS) – необхідна поповнення запасу енергії в багатоелементних батареях, але зарядником немає і зарядний струм не контролює.

Якщо до придбання вибрано зарядний пристрій, треба подивитися, який зарядний струм він видає та співвіднести його з батарейками, які потрібно заряджати. Так, якщо плата видає 2 ампери, це нормально для більшості елементів 18650, але явно перебір для маленьких «пакетиків» на 200…250 мілілампер-годин.

Перед покупкою треба вивчити технічну документацію та з'ясувати можливість регулювання струму (зазвичай ця інформація є на сторінці магазину). Зазвичай для цього потрібне налаштування потенціометра або заміна резистора на інший номінал. Якщо такої інформації немає чи глибина регулювання недостатня, треба шукати іншу плату.

Приклад залежності вихідного струму від номіналу резистора.

Чи можна заряджати звичайною зарядкою

Літій-іонному акумулятору байдуже, що є джерелом зарядного струму. Тому таку батарею можна заряджати хоч від звичайної зарядки, хоч лабораторного блоку живлення, хоч іншого акумулятора (Power Bank). Головне, щоб вихід джерела забезпечував необхідний струм. Якщо вона буде маленькою, процес затягнеться надовго. Якщо занадто великим – акумулятор не привітається.Головне - вчасно перервати процедуру, не допустивши перезаряду - він небезпечний для батареї, вона може перегрітися (втім, від великого струму теж). Це може спричинити спалах або вибух, а гасити літій-іонні батареї дуже складно.

Тому, якщо процес ведеться без участі контролера, треба постійно контролювати напругу на виході елемента та негайно переривати зарядку за рівня 4,2 вольта.

Як перевірити рівень заряду

На відміну від кислотно-свинцевого акумулятора на 6 або 12 вольт, рівень зарядженості (SOC) літій-іонної батареї за таблицею відповідності миттєвої вихідної напруги визначити не вдасться. Так, на наведеному графіку видно, що в різних умовах одна і та ж вихідна напруга (3,8 вольта) може відповідати рівню зарядженості як 50%, так і 2%. Звичайно, жодного користувача така похибка влаштувати не може.

Залежність напруги на виводах акумулятора від ступеня заряду за різних умов.

Також не сприяє правильному визначенню ступеня зарядженості вкрай нелінійна залежність напруга на клемах від навантаження та температури джерела живлення. У гаджетах бюджетної цінової категорії такий спосіб іноді застосовують, але повністю довіряти йому не можна.

Існують більш точні методи визначення ємності, наприклад, за напругою, що встановилася, але для його вимірювання потрібно кілька годин стабільного навантаження (а краще - розімкнутого ланцюга), чого в реалі практично ніколи не буває. Але існують математичні методи, здатні розрахувати залишковий заряд за напругою, що встановилася протягом короткого часу.

Ступінь розряду акумулятора на основі літію за напругою, що встановилася.

Цей спосіб також не дає абсолютної точності, але для практичних цілей цілком застосовний. Існують інші методи вимірювання залишкового заряду, більш достовірні:

• вимірювання внутрішнього опору акумулятора;
• інтегрування струму;
• за складом електроліту;
• інші методи.

Нестача всіх цих методик - складність реалізації в умовах масових конструкцій гаджетів. Тому точного, однозначного та простого способу, що дозволяє визначити залишок запасу енергії в батареях на основі літію, не існує.

Експлуатація

Li-ion елементи є найбільш зручними для користувача. Вони практично відсутній ефект пам'яті. Це означає, що акумулятор можна починати заряджати будь-якої миті (не обов'язково чекати розряду до нуля) і до будь-якого рівня (не обов'язково до повного). Існують й інші обмеження (за температурою, зарядним струмом), вони описані в інших розділах огляду.

Середня кількість циклів заряджання

Ресурс акумулятора на основі літію в циклічному режимі (а такий режим властивий елементам, що живлять переносні гаджети, акумуляторний електроінструмент тощо) визначається кількістю циклів заряд-розряд. Ця кількість не так просто підрахувати, адже вона залежить від різних умов (глибини розряду тощо). Вважається, більшість li-ion елементів служать 250-500 циклів, і лише найсучасніші можуть працювати до 1000 циклів без помітної втрати ємності.

Як досягти максимальної кількості циклів

Здебільшого скорочує життя елементів на основі літію висока температура. Звідси основне правило - не давати акумулятор нагріватися вище 50 градусів. Потрібно уникати як зовнішнього (від прямих сонячних променів тощо), так і внутрішнього нагріву (від високого зарядного ока тощо).Але й зниження температури до нуля і нижче таких батарей зовсім не корисно.

У глобальній мережі поширена думка, що для продовження ресурсу треба не розряджати батарею до рівня нуля (поповнювати енергію треба починати з 10-15%) і не давати заряджатися до 100% (досить 90%). Ця думка дуже сумнівна. Воно не підтверджується ні описом процесів, що відбуваються при цьому елементі, ні статистикою. До того ж у ньому відсутня логіка – якщо заряджати телефон частіше, то, можливо, кількість циклів збільшиться, але сам час роботи в кожному з них буде меншим, і продовження ресурсу зовсім не очевидне. Але шкоди в такому режимі немає, тому якщо користувач має бажання – він може експлуатувати акумулятор за таким розкладом. Віра в деяких випадках творить чудеса.

Як зберігати li ion акумулятори

Зберігати літій-іонні акумулятори "на потім" - не найкраща ідея. Вони мають властивість деградувати з часом, незалежно від того, чи використовуються джерела електроенергії, чи просто лежать. Вплинути цей процес складно.

Інша небезпека, що потенційно скорочує термін служби li-ion батарей – саморозряд. Елементи на основі літію мають низьку схильність до саморозряду, але все одно відбувається. Тому є небезпека, що під час зберігання батарея піде у глибокий розряд. Це може вбити батарею раніше, ніж природна деградація. Тому правильно зберігати акумулятор у частково або повністю зарядженому стані (на скільки відсотків – не важливо) та періодично перевіряти напругу на клемах. Як тільки воно опуститься нижче за 3 вольти, батарею треба підзарядити.

Грамотна експлуатація батарей дозволяє найповніше використовувати їхній ресурс, закладений розробником.А правильне заряджання елементів є основним фактором, що впливає на тривалість періоду використання.

Як заряджати літієвий акумулятор?

Щоб Li-ion акумулятори стабільно працювали протягом 500-1000 циклів заряд-розряд, необхідно дотримуватись правил їх експлуатації. Насамперед важливо не допускати їх перезаряджання та глибокого розряду, не порушувати рекомендований виробником температурний режим, не зберігати елементи живлення в розрядженому стані.

Заряджати літій-іонні АКБ необхідно спеціальним зарядним пристроєм: з алгоритмом роботи CC-CV, струмом завбільшки 0,5С-1С і верхньою межею напруги 4,2 на елемент. Розглянемо докладніше, як заряджати літієві акумулятори, щоб уникнути передчасного зносу, перегріву, струмових перевантажень та інших ризиків.

Алгоритм заряджання Li-ion акумуляторів

Заряджання літій-іонних АКБ має виконуватися за схемою CC-CV, в 2 етапи:

1. Спочатку йде процес підзарядки з постійним струмом і напругою, що росте. На цьому етапі накопичується близько 85% ємності. Оптимальна величина зарядного струму для елементів Li-ion – від 0,2С до 1С. У режимі швидкого заряджання допускаються струми до 5С.
2. Потім, коли напруга досягла встановленого максимуму, струм асимптотично наближається до нуля і відбувається остаточний набір ємності при постійній напрузі. Залежно від типу зарядного пристрою, на цьому етапі може використовуватися імпульсний струм з шириною імпульсу, що постійно зменшується, або поступово знижується ступінчастий струм. У ЗУ зі спрощеною схемою заповнення заряду струм просто зменшується вдвічі. Напруга у разі вважається умовно постійним.

Іноді перед цими 2 етапами використовується "нульова" стадія підзарядки.Вона актуальна для глибоко розряджених акумуляторів та виконується малими струмами – до 0,1С. Коли напруга на елементах досягає 2,45, починається стандартна підзарядка за алгоритмом CC-CV.

Час заповнення заряду

Скільки часу знадобиться для повного заряджання Li-ion акумулятора або батареї – залежить від рівня їх розряду, використовуваного струму та ємності, яку необхідно заповнити. У середньому запас ємності АКБ поповнюється від 30 до 8 годин. Процес вважається завершеним, коли напруга на виходах елементів сягає 4,2 вольта. Для акумуляторів верхня межа напруги залежить від кількості послідовно з'єднаних осередків.

Наприклад, для АКБ з 10 послідовно з'єднаних Li-ion осередків (схема 10S) верхня межа становить 42 вольти. Це значення відповідає 100% заряду батареї. Саме при цьому значенні повинен припинятися процес зарядки і таким має бути напруга заряду зарядного пристрою, що використовується. Найкраще заряджати літієві батареї автоматичними ЗУ, які самі контролюють рівень напруги та відключають заряджені акумулятори від зовнішньої мережі.

Параметри зарядного пристрою

Для Li-ion акумуляторів призначені спеціальні ЗУ з відповідними значеннями напруги (4,2 на елемент) і зарядного струму (0,5-1С, максимум до 5С). Бажано використовувати автоматичні моделі, які:

• видають струм 0,5-1С;
• заряджають акумулятори методом CC-CV;
• мають вбудований контролер і автоматично припиняють підзарядку при досягненні межі 4,2 ​​на комірку;
• мають мінімальну похибку – 0,05 або 0,1;
• забезпечують захист від перегріву, КЗ, переполюсування, перезаряджання.

Зарядний пристрій вибирають так, щоб він порівняно швидко забезпечував безпечне заповнення ємності.Для цього його вихідна напруга повинна відповідати вольтажу батареї, що заряджається, а струм - не перевищувати 5С в режимі швидкої підзарядки і 1С в режимі бережного заряду.

Наприклад, для Li-ion батареї, зібраної за схемою 5S2P, що має ємність 6,7 А·ч і номінальну напругу 18 В, підійде ЗУ з максимальним Uвих = 5х4, 2 = 21 В і зарядним струмом до 5х6, 7 = 33,5 А для швидкої підзарядки або до 6,7 А в режимі заряду, що щадить.

Особливості заряджання акумуляторів LiFePO4

Літій-полімерні та більшість літій-іонних акумуляторів мають номінальну напругу 3,6–3,7 В та робочий діапазон від 2,8 до 4,2 В. Елементи живлення LiFePO4 мають менший вольтаж: номінальне значення 3,2 В, робочий діапазон – від 2 до 3,65 В. Це означає, що заряджати їх потрібно до верхньої межі 3,65 на комірку. З іншого боку, літій-залізо-фосфатні АКБ більш стійкі до струмових навантажень. Їм підходять ЗУ із струмом заряду 1–5С, а швидкої підзарядки можна використовувати струми до 10С.

В іншому LFP акумулятори заряджають так само, як і Li-ion моделі інших підвидів: за алгоритмом CC-CV, в два етапи. Відрізняється тільки верхня межа напруги: на першому етапі йде заповнення ємності з постійним струмом до рівня 3,65 на комірку, а на другому - підзарядка при U = const зі струмом заряду, що асимптотично прагнуть до нуля. По вихідному напрузі ЗУ має відповідати вольтажу та схемою складання АКБ, а за величиною зарядного струму – не перевищувати 5С.

Як заряджати Li-ion АКБ: правила та рекомендації

1. Не розряджайте АКБ "у нуль". Ставте її заряджатися при рівні залишкової ємності щонайменше 10%. Ефекту пам'яті у літієвих батарей немає, тому повністю розряджати їх перед зарядженням не потрібно, а заряджати можна за будь-якого відсотка заряду.
2. Заряджайте літієві акумулятори при температурі від +1 до +40 °С у сухому приміщенні, осторонь джерел тепла. Уникайте потрапляння на батарею прямих сонячних променів.
3. Якщо АКБ була на холоді, спочатку прогрійте її до плюсової температури (близько години).
4. Використовуйте ЗУ, призначені для цього типу АКБ, і не перевищуйте допустимий вольтаж (4,2 на елемент).
5. Контролюйте рівень нагрівання ЗП. Його корпус, а також роз'єми та дроти не повинні бути гарячими.
6. Не накривайте батарею та зарядний пристрій.
7. Перед використанням зарядженої АКБ – дайте їй охолонути.
8. Не залишайте надовго розряджені елементи живлення без підзарядки - через саморозряд напруга може знизитися до критичного рівня і в структурі АКБ відбудуться незворотні зміни. В результаті не тільки погіршаться технічні характеристики, а й виявиться під сумнівом можливість подальшого використання батареї.
9. Не зловживайте швидкою зарядкою – щоб не прискорювати природне старіння елементів живлення та зберегти їх циклічний ресурс.
10. Замість збільшених зарядних струмів для економії часу можна використовувати частковий заряд – до 80–90%. Останні відсотки ємності набираються найдовше, а заповнити 70% ємності можна за 1/3 сумарного часу. Наприклад, якщо процес сумарно триває 3 години, то вже за 1:00 поповнюється 70% ємності, за 2:00 - ще 20%, а останні 10% добираються за 3:00.

Перед першим використанням батареї та раз на півроку надалі бажано виконувати тренувальний цикл. Для цього потрібно розрядити та зарядити АКБ. Потім вимкнути зарядний пристрій, а через 30 хвилин – підключити та дозарядити батарею. Після цього ще двічі повторити дозарядку з проміжком півгодини для стабілізації напруги.

Чи можна заряджати літієві акумулятори на морозі?

Це допустимо лише за однієї умови: якщо АКБ оснащена системою попереднього підігріву та при підключенні до зарядника спочатку відбувається прогрівання батареї. Негативної дії низьких температур вдається уникнути завдяки утепленню АКБ та реалізації її підігріву за допомогою низьковольтних нагрівальних елементів. В результаті забезпечується захист батареї від переохолодження, підвищується її працездатність на морозі та допускається заряджання в низькотемпературному середовищі. В інших випадках, коли АКБ не підігрівається, заряджати її на морозі не можна.

Найкращі зарядні пристрої для Li-ion батарей

Щоб правильно заряджати літієву АКБ, потрібно купити ЗУ для конкретного підвиду батарей (Li-ion, LiPo, LiFePO4) із відповідними характеристиками. В інтернет-магазині Shura-Master.ru можна купити зарядні пристрої для літієвих АКБ різних типів та конфігурацій. В описах ЗУ в нашому каталозі вказано, для яких батарей вони призначені, такою видають максимальний струм і вихідну напругу. Доставка замовлень виконується по всій Україні.

Як заряджати літієвий акумулятор

На даний момент, залежно від сфери застосування, найбільш популярними є два види акумуляторних батарей: літієві та свинцево-кислотні. Свинцеві акумулятори поступово втрачають популярність, тому що не відрізняються високою щільністю енергії та тривалим ресурсом. Якщо потрібно максимально компактне джерело живлення, вибір завжди падає саме на літієві АКБ.

Як і у випадку зі свинцево-кислотними аналогами, літієві акумулятори діляться на безліч типів. Найбільш поширеними є літій-іонні (Li-ion) та літій-полімерні (Li-pol).Саме вони використовуються у мобільних гаджетах і навіть у електрокарах. Наприклад, у Tesla model S встановлено понад 7 тисяч літій-іонних акумуляторів Panasonic Li-ion NCR18650B.

Більшість техніки, де використовуються літієві акумулятори, мають вбудовані механізми заряджання, тому користувачеві потрібно лише підключитися до електромережі. В інших випадках заряд потрібно здійснювати самостійно. Щоб акумулятор служив довго, його потрібно правильно заряджати.

Як заряджати літієвий акумулятор, щоб не зашкодити йому? Незважаючи на очевидність, спробуємо розібратися, чим заряджати літієвий акумулятор можна, а чим не можна.

Що треба знати про акумулятор

Процес заряду завжди залежить від того, який акумулятор заряджається. Не можна однаковим режимом поповнювати заряд різних за характеристиками та типами моделей.

Якщо узагальнити, то приблизно підібрати правильний режим заряду можна за наявності даних про тип акумулятора, його ємність та напругу.

• Тип АКБ. Чому важливо знати тип? Достатньо порівняти номінальну напругу літій-титанатного та літій-іонного акумулятора. 2,4В та 3,7В відповідно. Неважко здогадатися, до яких наслідків може призвести заряд літій-титанатної батареї абстрактним зарядним пристроєм для літієвого акумулятора, який призначений саме для Li-ion.
• Місткість АКБ. Даний параметр акумулятора, що заряджається, важливий через те, що струм, як правило, підбирається у відсотковому співвідношенні до номінальної ємності. Літій-іонні акумулятори, наприклад, не рекомендується заряджати струмом вище, ніж 0,5С-1С (струм, що дорівнює 50% і 100% відповідно по відношенню до ємності в ампер-годинниках). Цей показник може значно змінюватись від моделі до моделі.Яскравий приклад - літій-титанатні АКБ, деякі моделі яких дозволяють зарядку струмами, що в сотні разів перевищують номінальну ємність.
• Напруга АКБ. Тип літієвого акумулятора говорить лише про напругу одного осередку або окремого елемента живлення, що складається з одного осередку. Тим не менш, для вибору зарядного пристрою або відповідного режиму на вже наявному ЗУ, треба знати сумарну напругу всього ланцюга, оскільки воно може бути нарощене багаторазово шляхом послідовного з'єднання осередків. У вже готових акумуляторах на основі безлічі осередків напруга завжди вказана у маркуванні.

Як зарядити АКБ

Нерідко користувачі цікавляться мережею, як заряджати літієвий акумулятор мотоцикла. Враховуючи, що літієвий АКБ для мотоцикла - це фабричний пристрій, а не саморобний, вся важлива інформація, в тому числі і струм заряду, зазвичай розміщена на бирці. Інша справа - це коли є елемент живлення, зібраний з одного або безлічі осередків, у тому числі зі згаданих акумуляторів panasonic.

Важливо враховувати наявність в акумуляторі або у схемі захисту у вигляді BMS. BMS - це контролер, який виконує одразу безліч функцій. Він може захищати елементи живлення від небезпечних значень напруги та струму, балансувати елементи на останніх стадіях заряду, а також здійснювати регулювання напруги, що подається. Заряджання літій-іонних акумуляторів безпосередньо може становити небезпеку для АКБ, особливо якщо використовується кустарне ЗУ. Застосовувати кустарні пристрої як на основі трансформатора з діодним мостом, так і на основі перероблених комп'ютерних блоків живлення не рекомендується навіть для свинцево-кислотних АКБ.

Якщо з якоїсь причини в літієвому акумуляторі немає BMS, на ЗУ потрібно виставити напругу, яка є максимальною для даного типу батарей. Наприклад, літій-іонні АКБ при повному заряді видають 4,2 на одну осередок, а LiFePO4 - 3,65. Якщо струм при цьому перевищує 0,5С, рекомендується його обмежити. Якщо ЗУ не дозволяє регулювати струм, знизити його можна шляхом зниження вихідної напруги. Як тільки його буде досягнуто, його можна підняти до кінцевого показника, що відповідає повному заряду акумулятора.

У випадку з літієвими акумуляторами, обладнаними BMS (на щастя, таких більшість), все набагато простіше. Контролер просто не допустить подання небезпечних номіналів струму та напруги. Єдиний виняток – це коли користувач самостійно припаює BMS до свого збирання батарей. У такому випадку не можна гарантувати, що контролер налаштований правильно відповідно до вимог, які пред'являються конкретним блоком акумуляторів. В принципі, якщо користувач робить складання АКБ і самостійно припаює контролер - мабуть, він знає, що робить.

Як би там не було, найкращим способом безпечно і на 100% зарядити акумуляторну батарею будь-якого типу – це використовувати розумний зарядний пристрій, який працює в автоматичному режимі. Такий пристрій не просто видає постійний струм із певним номіналом напруги, а змінює режим заряду залежно від стадії. Також важливою перевагою є численні параметри, що налаштовуються, що дозволяють використовувати один і той же прилад з абсолютно різними збірками акумуляторів.

До вибору зарядного пристрою слід ставитися максимально серйозно, оскільки багато в чому від якості заряду залежить термін служби акумулятора. І якщо акумулятор складається з безлічі осередків із високою сумарною вартістю, то навіть невелике збільшення терміну служби заощаджує помітну суму.