Aby Li-ion baterie fungovaly stabilně přes 500–1000 cyklů nabití-vybití, je nutné dodržovat pravidla jejich provozu. V první řadě je důležité zabránit jejich přebíjení a hlubokému vybití, neporušovat teplotní režim doporučený výrobcem a neskladovat baterie ve vybitém stavu.
Lithium-iontové baterie se musí nabíjet speciální nabíječkou: s provozním algoritmem CC-CV, proudem 0,5C–1C a horní mezí napětí 4,2 V na článek. Podívejme se blíže na to, jak nabíjet lithiové baterie, aby nedošlo k předčasnému opotřebení, přehřátí, proudovému přetížení a dalším rizikům.
Algoritmus nabíjení Li-ion baterie
Nabíjení lithium-iontových baterií by mělo být prováděno podle schématu CC-CV, ve 2 fázích:
- Nejprve dochází k procesu dobíjení konstantním proudem a rostoucím napětím. V této fázi je akumulováno asi 85 % kapacity. Optimální nabíjecí proud pro Li-ion články je od 0,2C do 1C. V režimu rychlého nabíjení jsou povoleny proudy až 5C.
- Poté, když napětí dosáhne nastaveného maxima, proud se asymptoticky blíží nule a při konstantním napětí dochází ke konečnému zvýšení kapacity. V závislosti na typu nabíječky může tento stupeň používat pulzní proud s plynule se zmenšující šířkou pulzu nebo postupně se snižující krokový proud. V nabíječce se zjednodušeným obvodem doplňování náboje je proud jednoduše poloviční. Napětí je v tomto případě považováno za podmíněně konstantní.
Někdy se před těmito 2 fázemi používá „nulový“ stupeň nabíjení. Je relevantní pro hluboce vybité baterie a provádí se s nízkými proudy – do 0,1C. Když napětí na článcích dosáhne 2,45 V, začne standardní nabíjení pomocí algoritmu CC-CV.
Doba nabíjení
Jak dlouho trvá úplné nabití Li-ion baterie nebo baterie závisí na úrovni vybití, použitém proudu a kapacitě, kterou je třeba doplnit. V průměru se kapacita baterie doplňuje z 30 minut na 8 hodin. Proces je považován za dokončený, když napětí na výstupech prvků dosáhne 4,2 voltů. U dobíjecích baterií závisí horní limit napětí na počtu článků zapojených do série.
Například pro baterii s 10 sériově zapojenými Li-ion články (obvod 10S) je horní hranice 42 voltů. Tato hodnota odpovídá 100% nabití baterie. Právě při této hodnotě by se měl proces nabíjení zastavit a toto by mělo být nabíjecí napětí použité nabíječky. Lithiové baterie je nejlepší nabíjet automatickými nabíječkami, které samy řídí úroveň napětí a odpojují nabité baterie od vnější sítě.
Parametry nabíječky
Pro Li-ion baterie jsou navrženy speciální nabíječky s odpovídajícími hodnotami napětí (4,2 V na článek) a nabíjecím proudem (0,5–1C, maximálně do 5C). Je vhodné používat automatické modely, které:
- produkovat proud 0,5–1C;
- nabíjejte baterie metodou CC-CV;
- mají vestavěný ovladač a automaticky zastaví dobíjení při dosažení limitu 4,2 V na článek;
- mít minimální chybu 0,05 nebo 0,1 V;
- poskytují ochranu proti přehřátí, zkratu, přepólování a přebití.
Nabíječka je zvolena tak, aby poskytovala bezpečné doplnění kapacity relativně rychle. K tomu musí jeho výstupní napětí odpovídat napětí nabíjené baterie a proud nesmí překročit 5C v režimu rychlého nabíjení a 1C v režimu šetrného nabíjení.
Například pro Li-ion baterii sestavenou podle schématu 5S2P, mající kapacitu 6,7 Ah a jmenovité napětí 18 V, nabíječku s maximálním Uout = 5×4,2 = 21 V a nabíjecím proudem až 5×6,7 = 33,5 je vhodný A pro rychlé nabíjení nebo až 6,7 A v režimu šetrného nabíjení.
Vlastnosti nabíjení LiFePO4 baterií
Lithium-polymerové a většina lithium-iontových baterií má jmenovité napětí 3,6–3,7 V a provozní rozsah 2,8 až 4,2 V. Baterie LiFePO4 mají nižší napětí: jmenovitá hodnota 3,2 V, provozní rozsah – od 2 do 3,65 V To znamená, že je třeba je nabíjet na horní hranici 3,65 V na článek. Na druhou stranu lithium-železofosfátové baterie jsou odolnější vůči proudovému zatížení. Jsou vhodné pro nabíječky s nabíjecím proudem 1–5C a pro rychlé dobíjení lze použít proudy až 10C.
Jinak se LFP baterie nabíjejí stejně jako Li-ion modely jiných podtypů: podle algoritmu CC-CV, ve 2 stupních. Liší se pouze horní mez napětí: na prvním stupni je kapacita doplňována konstantním proudem na úroveň 3,65 V na článek a na druhém stupni dochází k dobíjení při U = const nabíjecím proudem asymptoticky klesajícím k nule. Výstupní napětí nabíječky musí odpovídat napětí a montážnímu obvodu baterie a nabíjecí proud nesmí překročit 5C.
Jak nabíjet Li-ion baterii: pravidla a doporučení
- Nevybíjejte baterii na nulu. Umístěte jej k nabíjení, když je zbytková kapacita alespoň 10 %. Lithiové baterie nemají paměťový efekt, takže je není potřeba před nabíjením úplně vybíjet a lze je dobíjet na libovolné procento nabití.
- Lithiové baterie nabíjejte při teplotě +1 – +40 °C v suché místnosti, mimo zdroje tepla. Nevystavujte baterii přímému slunečnímu záření.
- Pokud byla baterie v chladu, nejprve ji zahřejte na teplotu nad nulou (asi hodinu).
- Používejte nabíječky určené pro tento typ baterie a nepřekračujte povolené napětí (4,2 V na článek).
- Ovládejte úroveň ohřevu nabíječky. Jeho tělo, stejně jako konektory a vodiče by neměly být horké.
- Nezakrývejte baterii a nabíječku.
- Před použitím nabité baterie ji nechte vychladnout.
- Nenechávejte vybité baterie delší dobu bez dobití – samovybíjením může dojít k poklesu napětí na kritickou úroveň a ve struktuře baterie dojde k nevratným změnám. V důsledku toho se nejen zhorší technické vlastnosti, ale bude zpochybněna i samotná možnost dalšího použití baterie.
- Nepřetěžujte rychlonabíjení – abyste neurychlili přirozené stárnutí baterií a zachovali jejich cyklickou životnost.
- Místo zvýšených nabíjecích proudů můžete pro úsporu času použít částečné nabití – až 80–90 %. Nejdéle se akumuluje poslední procento kapacity a 70 % kapacity lze doplnit za 1/3 celkového času. Například pokud proces trvá celkem 3 hodiny, pak se 1 % kapacity doplní za 70 hodinu, dalších 2 % za 20 hodiny a posledních 10 % je dosaženo za 3 hodiny.
Před prvním použitím baterie a poté každých šest měsíců je vhodné provést tréninkový cyklus. Chcete-li to provést, musíte baterii vybít a nabít. Poté odpojte nabíječku a po 30 minutách připojte a dobijte baterii. Poté opakujte nabíjení ještě dvakrát s půlhodinovým intervalem, aby se napětí stabilizovalo.
Je možné nabíjet lithiové baterie za studena?
To je přípustné pouze za jedné podmínky: pokud je baterie vybavena předehřívacím systémem a po připojení k nabíječce se baterie nejprve zahřeje. Negativním vlivům nízkých teplot se lze vyhnout izolací baterie a jejím ohřevem pomocí nízkonapěťových topných těles. Díky tomu je baterie chráněna před podchlazením, zvyšuje se její výkon v chladu a je povoleno nabíjení v prostředí s nízkou teplotou. V ostatních případech, kdy se baterie nezahřívá, nelze ji nabíjet za studena.
Nejlepší nabíječky pro Li-ion baterie
Pro správné nabití lithiové baterie je potřeba zakoupit nabíječku pro konkrétní podtyp baterie (Li-ion, LiPo, LiFePO4) s vhodnými vlastnostmi. V internetovém obchodě Shura-Master.ru si můžete koupit nabíječky pro lithiové baterie různých typů a konfigurací. V popisech nabíječek v našem katalogu je uvedeno, pro jaké baterie jsou určeny, které produkují maximální proud a výstupní napětí. Doručování objednávek se provádí po celém Rusku.
Baterie byly kdysi těžké, neohrabané předměty, které produkovaly směšně málo energie na svou velikost a váhu. Naštěstí se technologie postupem času zlepšuje a v roce 2020 máme vynikající, výkonné lithium-polymerové baterie, které poskytují tolik energie, kolik váš mobilní projekt může potřebovat. Při jejich používání je však třeba vzít v úvahu některé věci – proto vám doporučuji přečíst si naši příručku pro začátečníky, jak správně používat LiPo ve vašem projektu.
Tolik druhů!
První komerční lithium-iontové baterie byly uvedeny na trh v roce 1991 a za téměř 30 let od té doby jsme zaznamenali rychlý pokrok. Díky tomu máme mnoho různých technologií a typů baterií, rozdělených podle typu provedení a použitých materiálů. Pro správné zacházení s bateriemi je důležité vědět, jaký typ máte ve svých rukou, a je velmi důležité tomu věnovat pozornost.
Lithium-iontové prvky formátu 18650 z notebooku. Takové sady jsou obvykle spojeny bodovým svařováním niklových pásků.
Lithium-iontové nebo Li-iontové baterie obvykle označují celou technologii dobíjecích lithiových baterií, ale často se používají k označení tradičních článků s válcovým kovovým pouzdrem. Jednou z možností je drahý 18650, ale obecně existuje mnoho možností a velikostí. Díky své pevné konstrukci jsou oblíbené pro použití v pomůckách pro pohyb, které jsou vystaveny značné fyzické zátěži.
Lithiový polymer neboli Li-Po je lithium-iontová baterie, která místo kapalného elektrolytu používá polymerní elektrolyt. Díky tomu mohou být vyrobeny ve formě nádob různých tvarů. Díky této flexibilitě jsou užitečné pro aplikace, jako jsou chytré telefony a tablety, které vyžadují vysokokapacitní baterii v plochém tvaru. Často se také používají v rádiem řízených modelech, protože jejich nízká hmotnost poskytuje značnou výhodu létajícím vozidlům.
Lithium-polymerové pouzdrové baterie pro použití v rádiem řízených modelech.
Lithium-HV nebo vysokonapěťové lithiové baterie jsou lithium-polymerové baterie, které používají speciální silikon-grafenovou přísadu na kladném pólu, aby se zabránilo poškození vysokým napětím. Pokud budete většinu lithiových baterií nabíjet nad 4,2 V, ztratí výrazně kapacitu a jejich životnost se znatelně zkrátí. Pomocí tohoto aditiva můžete nabíjet články až do 4,32 V bez takových negativních důsledků. Zvýšení napětí poskytuje přibližně 10% zvýšení hustoty energie ve srovnání s běžnými lithium-polymerovými bateriemi.
Lithium-železofosfátové baterie nebo LiFePO4, používají mírně upravenou chemii, díky které vydrží více cyklů nabíjení/vybíjení díky mírně nižší energetické kapacitě. Pracují nejlépe v rozsahu 3,0 V až 3,65 V spíše než v typickém rozsahu 3,0-4,2 standardních lithium-iontových chemikálií. Tato a jejich velmi plochá vybíjecí křivka je činí ideálními pro náhradu 12V olověných baterií v mnoha aplikacích a místo původních šesti článků jsou použity čtyři. Obvykle jsou stabilnější, méně náchylné k samovybíjení a ztrátě kapacity v průběhu času.
Respektujte hranice
Chyba může vést k nepříjemným výsledkům
Ve srovnání s většinou typů baterií lithiové články špatně odolávají špatnému zacházení. Výboj pod spodní hranicí vede k tvorbě měděných dendritů, díky čemuž klesá jejich kapacita a může dojít ke zkratu. Přebíjení může vést k poškození anody usazeninami lithia, což může způsobit tvorbu lithiových dendritů, což často vede ke zkratu nebo samoudržovací reakci, která vytváří teplo – baterie začne kouřit a hořet. Také každý prvek ve skupině musí být udržován na stejné úrovni napětí jako všichni jeho sousedé, aby se prvky příliš rychle nedegradovaly.
Je důležité nenabíjet lithiové články příliš rychle. Okolní teplota také výrazně ovlivňuje výkon baterií. Lithiové baterie nemají rády teploty pod nulou, zvláště když jsou plně nabité. Nelze je nabíjet při teplotách pod nulou. Protože se na záporné elektrodě může usazovat lithiový kov, což může poškodit článek nebo způsobit zkrat. V zásadě je lze nabíjet při teplotách až -5 °C, ale musí se to dělat velmi pomalu. Kromě toho se baterie mohou poškodit, pokud jsou nabíjeny při teplotách nad 45 °C.
Pokud překročíte tyto limity, v lepším případě baterii jednoduše zabijete, v horším se vznítí a exploduje. Kromě toho tyto prvky podléhají bobtnání, uvolňování plynu a obecně se nezdají být příliš vhodné pro použití. Vypořádat se s nimi se může zdát zdrcující. Naštěstí se moderní elektronika naučila s jejich problémy vypořádat. Se správným vybavením a bezpečnostními opatřeními lze lithiové baterie používat bezpečně a efektivně. Každý, kdo s nimi pracuje, by si však měl být vědom potenciálních nebezpečí. Bob Baddeley na toto téma publikoval vynikající článek loni v listopadu.
Práce s bateriemi
V případě použití jednotlivých prvků nebo jejich skupin, například při použití LiPo baterií v rádiem řízených modelech, stačí jednoduše použít speciální nabíječku pro lithiové baterie. Při nabíjení je potřeba zapojit vodiče pro kontrolu vyvážení [umožňují měřit napětí na každém z prvků zvlášť / cca. transl.], zejména pokud je baterie zcela vybitá. Největší efektivity při provozu na baterie lze dosáhnout použitím chytrých nabíječek (zejména v případech s LiFePO4 a vysokonapěťové prvky). Ujistěte se, že máte způsob, jak zastavit vybíjení baterií, pokud napětí příliš poklesne – ať už je to varovná kontrolka, zvukový alarm nebo jednoduše automatické vypnutí.
Moduly jako tyto jsou skvělé pro integraci lithiových baterií do prototypu
Pokud vaše zařízení vyžaduje integrovanou baterii, jsou pro vás vhodné speciální ochranné a nabíjecí desky. K dispozici jsou hotové moduly a integrované obvody, které umožňují snadno sledovat provoz lithium-iontových baterií. V zásadě je jich mnoho – od těch, které při poklesu napětí jednoduše přeruší obvod, až po komplexní řešení nabíjení a ochrany. Společnosti jako Adafruit prodávají moduly, které jsou skvělé pro začínající nadšence elektroniky, kteří chtějí integrovat pohodlné řešení nabíjení baterie a monitorování, aniž by museli sami navrhovat desky. Existují však otevřená řešení, která bude v budoucnu snadné integrovat do vlastní desky.
Battery Management System (BMS) pro 12článkové baterie schopné dodávat až 60A.
Pro větší projekty s vlastními akumulátory jsou dobrou volbou systémy pro správu baterií (BMS). BMS se ve skutečnosti příliš neliší od bezpečnostního čipu, je pouze navržen pro větší aplikace. BMS se obvykle používá pro baterie sestávající z tuctu nebo více článků a často v projektech, jako jsou elektrická kola a další pomůcky pro mobilitu. BMS je připájen přímo k bateriím a připojen ke každému prvku jednotlivě [ke skupině prvků zapojených paralelně / cca. překlad]. Jeho úkolem je vyvažovat prvky, pro bezpečnost omezovat vybíjecí proud a řídit proces nabíjení. Zkušení výrobci baterií často integrují BMS do pouzdra nebo pouzdra samotné baterie a nechají odkrytý pouze konektor. To umožňuje uživateli jednoduše přidat hotovou baterii do svého projektu bez obav o ochranu.
Pokud váš projekt vyžaduje zvláštní odolnost vůči okolnímu prostředí, budete také muset sledovat teplotu baterie. Monitorování teploty článků, zejména při nabíjení, je skvělý způsob, jak chránit baterii před poškozením. Nejlepší čipy a BMS mají možnosti sledování teploty. Na této úrovni montáže již budete baterii vyrábět sami, přičemž během montáže zabudujete termočlánky na správná místa. U baterií, které produkují vysoké proudy, je třeba sledovat teploty. Téměř všechna elektrická kola a elektrická vozidla mají zařízení pro sledování teploty baterií a řídicích systémů.
Lithium-iontové baterie mohou být nebezpečné, ale při správném použití jsou dostatečně bezpečné pro většinu projektů. Klíčem je používat správné vybavení, abyste se ujistili, že nepřekročíte rozsahy napětí a teplot, jinak může dojít ke katastrofě. Doufám, že vám tato příručka pomůže při hledání informací o začlenění lithiových baterií do vašeho projektu.
