Как правильно заряжать li-ion аккумуляторы

Аккумуляторы

Обычно гаджеты, питающиеся от литиевых аккумуляторов, имеют встроенное зарядное устройство. Обычно, но далеко не всегда. Тогда обслуживать аккумуляторы приходится самому. В этой статье мы выясним условия эксплуатации батарей такого типа, а также узнаем, как правильно заряжать литийионный аккумулятор.

Общие сведения о литийионных аккумуляторах

Литиевые аккумуляторы появились относительно недавно, но уже прочно заняли ведущие позиции в электропитании автономных устройств. Конструктивно такой источник питания представляет собой два электрода — катод и анод. Первый выполнен из того или иного соединения лития (обычно кобальт-литий или литий-феррофосфат), второй — из графита. Электроды погружены в безводный раствор электролита. Бывают разные форм-факторы и типоразмеры батареек этого типа. Наиболее распространённые форм-факторы литийионных аккумуляторов — цилиндрический и прямоугольный.

Типоразмеры аккумуляторов
Типоразмеры литийионных цилиндрических аккумуляторов

Прямоугольные элементы можно увидеть в устройствах малой толщины — мобильных телефонах, смартфонах, планшетах и т. п. Обычно в батареях такой формы в качестве электролита используют полимерный материал, а сами аккумуляторы называют литий-полимерными.

аккумулятор смартфона
Литий-полимерные аккумуляторы мобильных устройств

Выходное напряжение всех литиевых аккумуляторов меняется от 4,2 до 2,5 В в зависимости от степени зарядки и в среднем составляет 3,7 В. Электрическая ёмкость же бывает разной – от десятков миллиампер в час (мА·ч) до десятков ампер в час (А·ч). Зависит от назначения источника питания и его размеров.

аккумулятор емкостью 10 А-ч
Литиевая батарейка ёмкостью 10 А·ч
Мнение эксперта
Алексей Бартош
Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.
Задать вопрос
Важно! Речь идёт о единичных аккумуляторах. Батареи, составленные из нескольких элементов, могут иметь любое напряжение и любую ёмкость. Например, батареи электромобилей имеют напряжение до 380 В при ёмкости в сотни киловатт-час, а батарея ноутбука выдает 12,6 В.
аккумуляторная батарея электромобиля
Литийионная батарея электромобиля

Срок службы литиевого аккумулятора зависит от условий эксплуатации и обычно составляет 2–3 года при количестве циклов заряд/разряд до 600 у литийионных и до 900 у литий-полимерных батарей. Основные качества аккумуляторов этого типа:

  • большая плотность энергии на единицу массы;
  • низкий саморазряд;
  • отсутствие эффекта памяти;
  • не требуют обслуживания;
  • теряют работоспособность при перезарядке и глубоком разряде;
  • взрывоопасность при перегреве.

Что такое PCB, BMS и PCM

Прежде чем выяснить, как правильно заряжать литийионные аккумуляторы, разберёмся с аббревиатурами PCB, BMS и PCM, которые неразрывно связаны с источниками тока этого типа.

PCB

Как мы выяснили, литиевые источники не терпят глубокой разрядки и перезаряда. И в том, и в другом случае они катастрофически теряют электрическую ёмкость и выходят из строя. А в случае перезаряда могут даже загореться.

Для контроля за состоянием батареи в неё нередко встраивается модуль PCB — Power Control Board. Его задача — не допустить глубокой разрядки и перезаряда аккумулятора.

Модули защиты батареи
Модули защиты батареи телефона и литиевого цилиндрического элемента

Принцип работы такого модуля достаточно прост. Помещённый на небольшой плате контроллер мониторит напряжение на клеммах аккумулятора. Как только оно упадёт ниже 2,8 В, микросхема закрывает соответствующий ключ, отключая элемент питания от нагрузки. При этом зарядка этого элемента разрешена.

Если напряжение на клеммах элемента становится выше 4,2 В (заряжен полностью), эта же схема другим ключом отключает элемент от зарядного устройства, но питание нагрузки разрешено. Таким образом, аккумулятор невозможно ни перезарядить, ни разрядить до критического значения.

Такие платы защиты встраиваются в большинство литиевых батарей. Исключение составляют лишь элементы, предназначенные для устройств с собственными системами контроля за состоянием аккумуляторов. В качестве примера можно взять батарею ноутбука, собранную из шести аккумуляторов 18650 без встроенной защиты.

общий контроллер батареи
Эти элементы батареи не имеют платы защиты — за их сохранность и правильную зарядку отвечает общий контроллер

Важно! Прежде чем покупать аккумулятор, необходимо выяснить, оснащён ли он модулем PCB. Если нет, то за состоянием элемента придётся следить самостоятельно. Большинство элементов с модулем PCB имеют на корпусе соответствующую маркировку.

Маркировка
Маркировка указывает, что элемент имеет модуль защиты

PCM

Модуль PCM (Power Charge Module) обычно встраивается не в элемент, а в устройство, в котором элемент работает. К примеру, в смартфон. Если плата PCB следит только за уровнем зарядки аккумулятора, то блок PCM полностью управляет процессом зарядки — обеспечивает необходимый ток, контролирует температуру элемента, напряжение на нём.

Это как раз тот узел, который мы называем контроллером зарядки. Он является основным «управляющим» — отключает зарядку, когда батарея зарядилась, принудительно отключает мобильное устройство, если величина напряжения на аккумуляторе критически низкая. В этом случае модуль PCB будет только дополнительной защитой — практически никогда не срабатывает. Впрочем, существуют модули PCM, которые отвечают лишь за правильную зарядку, но не контролируют разряд. В этом случае в работу включается модуль PCB — встроенный в элемент или дополнительный.

Мнение эксперта
Алексей Бартош
Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.
Задать вопрос
Важно! Не следует путать контроллер зарядки с зарядным устройством (адаптером) для того же смартфона. Зарядное устройство — это обычный пятивольтовый источник питания. Управляет же процессом зарядки батареи схема, встроенная в сам смартфон. Исключение составляют лишь интеллектуальные зарядные устройства, предназначенные именно для зарядки литиевых батарей (в том числе и без модуля контроля).
зарядка Allmaybe(Xtar)
«Умная» зарядка Allmaybe(Xtar) D4 для литиевых аккумуляторов

BMS

Блок BMS (Battery Monitoring System) можно найти в аккумуляторах, составленных из батарей, включённых последовательно. Он есть, например, в АКБ любого ноутбука. Задача узла — контроль за состоянием каждой отдельной батареи и организация слаженной их работы. Разберём задачу, которую он выполняет, подробно. Итак, мы имеем аккумулятор, составленный из четырёх последовательно соединённых батарей.

Батарея четырех элементов
Батарея из четырёх элементов, соединённых последовательно

Предположим, все элементы полностью заряжены. Напряжение на каждом из них — 4,2 В, на всей батарее 16,8 В. Начинаем разрядку. Через все элементы течёт одинаковый разрядный ток, а значит, разряжаются они одинаково. Но это только в теории. При эксплуатации аккумуляторы теряют ёмкость по-разному, то есть даже при одинаковом токе один элемент разрядится быстрее, другой медленнее. В результате какой-то из аккумуляторов будет уже глубоко разряжен, тогда как остальные ещё «тянут» и выходное напряжение всей батареи вроде ещё в норме.

То же самое произойдёт и во время зарядки. Элемент с наименьшей ёмкостью зарядится быстрее и, пока остальные набирают нужную ёмкость, перезарядится и выйдет из строя. Задача модуля BMS — контроль за состоянием каждого элемента и принятием тех или иных мер, если напряжение на каком-либо из них станет критическим. Если оно ниже, вся батарея отключается от нагрузки. Если выше, то соответствующий элемент отключается от зарядного устройства, когда остальные продолжают заряжаться.

Полезно! Нередко блок BMS называют балансиром, а выполняемая им задача балансировкой. При последовательном соединении аккумуляторов в батарею схема балансировки должна быть обязательно. В противном случае элементы питания быстро выйдут из строя, а возможно, и загорятся.

Как правильно заряжать Li-ion аккумулятор

А теперь перейдём непосредственно к особенностям зарядки литийионных аккумуляторов. Начнём с единичных элементов. Как мы выяснили, напряжение на полностью заряженном аккумуляторе составляет 4,15–4,2 В, на полностью разряженном — 2,5–2,8 В. Но, кроме напряжения, нужно знать и зарядный ток. Каким током, к примеру, заряжать Li-ion аккумулятор 18650?

В отличие от других типов аккумуляторов литиевые источники могут заряжаться достаточно высоким током, достигающим 1 С (C — ёмкость элемента). Но оптимальным принято значение, не превышающее 0,5 С. Получается, что оптимальный ток заряда для элемента 18650 будет составлять от трети до половины его ёмкости. Значение же ёмкости аккумулятора можно прочесть в сопроводительной документации или прямо на корпусе прибора.

аккумуляторная батарея 3500mah
Для этого аккумулятора оптимальный зарядный ток будет лежать в диапазоне от 1 до 1,7 А
Мнение эксперта
Алексей Бартош
Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.
Задать вопрос
Таким образом, для простой зарядки на аккумулятор достаточно подать нужный ток и дождаться, пока напряжение на его клеммах не достигнет значения 4,2 В. Многие простые зарядные устройства так и делают, автоматически оканчивая зарядку в нужный момент.

Но существует и ещё один, более правильный, многоступенчатый метод, который используется в подавляющем большинстве более-менее качественных мобильных гаджетов и зарядных устройств. Если мы хотим, чтобы наша литийионная батарея «жила» долго и счастливо, лучше применить способ многоступенчатой зарядки.

Многоступенчатая зарядка

Метод состоит из трёх этапов:

  1. После подключения зарядного устройства контроллер измеряет напряжение на батарее. Если оно ниже 2,5 В, то производится зарядка малым (около 0,02–0,1 С) током до тех пор, пока напряжение не поднимется до 2,8 В. Если оно изначально было выше, этап пропускается.
  2. Зарядный ток увеличивается до значения 0,5 С (нормальный заряд) или 1 С (ускоренный заряд). Как только напряжение на элементе повышается до 4,1–4,2 В, этап заканчивается.
  3. На элементе устанавливается стабильное напряжение 4,15–4,25 В, подзарядка производится небольшим током. Как только значение тока уменьшается до 0,05 С, этап заканчивается, аккумулятор заряжен.

Полезно. Третий этап занимает достаточно много (десятки минут) времени и не является обязательным. Если времени ждать нет, хватит второго этапа, в процессе которого батарея набирает практически всю ёмкость (90–95 %).

Можно ли таким же образом зарядить аккумулятор со встроенным контроллером защиты PCB? Вполне, но перед тем, как начать зарядку, нужно убедиться, что напряжение холостого хода зарядного устройства (измеряется при отключенном аккумуляторе) не превышает 6–7 В. В противном случае при срабатывании защиты от перезаряда на модуле PCB установится критически высокое напряжение, которое выведет из строя его силовые ключи.

И пару слов о последовательной сборке на 12 В. Можно ли её как-то зарядить своими силами? В принципе, можно и не одним методом.

  1. Используем модуль BMS на соответствующее количество ячеек (см. выше).
  2. Рассоединяем батарею и заряжаем каждый аккумулятор отдельно.
  3. Рассоединяем батарею и собираем из аккумуляторов другую, соединив все элементы параллельно. Заряжаем полученную батарею обычным образом, учитывая, что её полная ёмкость будет равняться сумме ёмкостей всех аккумуляторов.
Батарея аккумуляторов
Батарея элементов, соединённых параллельно

Все этапы заряда литийионного аккумулятора (включая предзаряд) схематично изображены на этом графике:

этапы заряда литий-ионного аккумулятора

Чем измерять ёмкость аккумуляторов

В процессе эксплуатации, как мы выяснили, ёмкость литиевой батарейки постепенно уменьшается и со временем значение, указанное на корпусе, не будет соответствовать реальному положению вещей. Как определить реальную ёмкость аккумулятора в домашних условиях? Один из вариантов — использовать специальный универсальный прибор «Аймак», вмещающий интеллектуальное зарядно-разрядное устройство, тестер, вольтметр, амперметр и многое другое.

прибор «Аймакс»
Многофункциональный прибор «Аймак»

Вариант неплохой, но его не назовешь бюджетным. Прибор дорогой, а нужен он относительно редко. Гораздо проще для этих целей воспользоваться USB-тестером. Стоит он намного меньше, а точность измерения у устройства вполне приличная.

Как правильно заряжать li-ion аккумуляторы
USB-тестер

Чтобы измерить реальную ёмкость батарейки, её необходимо полностью зарядить, а затем разрядить через ту или иную нагрузку, включив между элементом и нагрузкой тестер. При этом вход прибора подключают к элементу питания, а выход — к нагрузке, в качестве которой можно использовать полуваттный резистор сопротивлением 8–16 Ом.

Измерение емкости литиевой батарейки
Измерение ёмкости литиевой батарейки при помощи USB-тестера

USB-тестер для своего питания требует напряжение величиной 5 В (на то он и USB), но отлично работает и при напряжении до 2,5 В. Так что использовать его для измерения ёмкости одной литиевой ячейки будет возможно.

Что такое плата зарядки TP4056 и как ею пользоваться

Как правильно заряжать литийионные батарейки, мы узнали. Но чем это сделать? Можно воспользоваться покупным зарядным устройством, но если есть желание, то реально собрать зарядку для литиевых аккумуляторов самостоятельно. Для этого достаточно будет купить готовый модуль TP4056 и собрать несложную схему.

Модуль зарядки
Модуль зарядки литиевой ячейки TP4056 1 А 

Прелесть такого решения ещё и в том, что стоит всё удовольствие на том же Aliexpress около 30 рублей. Чтобы на базе этого модуля собрать готовое устройство, необходимо собрать следующую несложную схему.

Схема зарядного модуля TP4056
Схема включения зарядного модуля TP4056 1 А

По умолчанию, такой модуль выдаёт ток зарядки 1 А и подойдёт для зарядки аккумуляторов ёмкостью 2 000—3 000 мА·ч. Если нам нужен меньший ток, то достаточно изменить номинал резистора R3 в соответствии с таблицей:

Номинал R3, кОм
Ток зарядки, мА
10
130
5
250
4
300
3
400
2
580
1,66
690
1,5
780
1,33
900
1,2
1000

В принципе, током 1 А можно заряжать аккумуляторы и большей ёмкости, но времени это займёт больше. Но если всё же нужен ток более 1 А, то будет несложно его увеличить, соединив несколько модулей параллельно. Для этого просто соединяем перемычками одноимённые выводы модулей.

Полезно. Можно поступить проще, просто купив модуль, обеспечивающий зарядный ток до 3 А. Правда, обойдётся это несколько дороже, но конструкция получится более компактной и простой в сборке.

Модуль зарядки ячейки TP4056
Модуль зарядки литиевой ячейки TP4056 3A

Топ 5 зарядных устройств для литиевых аккумуляторов

Ну а для тех, кто не считает нужным или возможным собирать зарядку для Li-ion своими руками, мы приводим наиболее популярные приборы для зарядки цилиндрических аккумуляторов 18650.

Наиболее популярные ЗУ для литийионных элементов:

Рейтинг
Внешний вид
Модель
Производитель
Типоразмер аккумуляторов
Количество отсеков (независимых каналов)
Дополнительные функции
Цена, руб.
Где купить
1
Как правильно заряжать li-ion аккумуляторы
Nitecore D4
ТМ Nitecore
AA (R6), ААA (R03), AAAA, С (R14), 26650, 22650, 18650, 10440, 14500, 16340, CR123A, 17670, 17500, 18490, 18350
4
ЖК-дисплей, тестирование, определение электрической ёмкости, защита от перезаряда, переполюсовки, питание от прикуривателя автомобиля2 100
Я.Маркет
2
Как правильно заряжать li-ion аккумуляторы
Liitokala Lii-500
Liitokala
18650, 18490, 18350, 17670, 17500, 17335, 16340 (RCR123), 14500, 10440, 26650, 22650, 26500, A, AA, AAA, SC
4
ЖК-дисплей, тестирование, определение электрической ёмкости, защита от перезаряда, переполюсовки, порт USB 5 В/1А2 400
Я.Маркет
3
 Как правильно заряжать li-ion аккумуляторы
Opus BT-C3100 v2.2
Opus
АА, ААА, С (R14), 10440, 16340, 14500, 17500, 17335, 17500, 18490, 17670, 18650, 22650, 26650
4
ЖК-дисплей, тестирование, определение электрической ёмкости, защита от перезаряда, переполюсовки, многоступенчатая зарядка2 900
Я.Маркет
4
Как правильно заряжать li-ion аккумуляторы
SkyRC MC3000
SkyRC
AA, AAA, C, D, SC, AAAA, 18650, 14500, 16340, 32650, 14650, 17670, 10440, 18700, 18350, RCR123, 18500, 18490, 25500, 13500, 13450, 16650, 22650, 17500, 10340, 17650, 10500, 26500, 12340, 12500, 12650, 14350, 14430, 16500, 17350, 20700, 21700, 22500, 32600
4
ЖК-дисплей, тестирование, определение электрической ёмкости, защита от перезаряда, переполюсовки, удаленный контроль по Bluetooth 4.0, контроль температуры, порт USB 5 В/2.1А, питание от бортовой сети автомобиля7 100
Я.Маркет
5
 Как правильно заряжать li-ion аккумуляторы
Palo P10
Palo
AA, AAA
8
Светодиодная индикация, фиксированный ток зарядки на уровне 180 или 200 мА, попарная зарядка, невысокая цена900

Советы по эксплуатации Li-ion батарей

И в завершение несколько простых правил эксплуатации, которые помогут продлить жизнь литиево-ионным аккумуляторам.

  • Пользуемся только качественными зарядными устройствами, автоматически отключающимися по окончании процесса.
  • По возможности используем режим многоступенчатой зарядки.
  • Не превышаем рекомендованные производителем токи зарядки и разрядки.
  • Не допускаем разрядки более чем на 90 % от ёмкости аккумулятора.
  • Не допускаем перегрева во время зарядки, не оставляем элементы на солнце или возле нагревательных приборов.
  • Перед длительным хранением заряжаем аккумулятор до 50–60 % их ёмкости.

Вот мы и выяснили, какими бывают литийионные аккумуляторы и как их правильно заряжать. Надеемся, что благодаря данной статье наши литиевые элементы питания будут служить долго и безотказно.

Читайте далее:
Акумы.ру
Добавить комментарий

  1. Аватар
    Александр

    Небольшой опыт работы с зарядным устройством литиевого аккумулятора показывает, что адаптер или зарядное устройство выполнено по принципу стабилизатора тока. Поэтому при зарядке литиевого аккумулятора по нормальному режиму заряда не требуется ничем управлять. Нужно только срезать часть напряжения с 5вольт до 4,2 вольт в конце заряда. И при этом напряжении закончить процесс. Вопрос как это делается?. Если это будет делать контроллер заряда встроенный в смартфон, то будут большие тепловыделения на нем. Либо контроллер должен по сигнальным выводам управлять самой зарядкой? Нигде не нашел объяснения. Спасибо.

    Ответить
Adblock
detector