Li-ion и Li-polymer аккумуляторы в наших конструкциях

Прогресс идет вперед, и на смену традиционно используемым NiCd (никель-кадмиевым) и NiMh (никель-металлогидридным) всё чаще приходят литиевые аккумуляторы.
При сравнимом весе одного элемента, литий имеет большую ёмкость, кроме того, напряжение элемента у них в три раза выше — 3,6 V на элемент, вместо 1,2 V.
Стоимость литиевых аккумуляторов стала приближаться к обычным щелочным батареям, вес и размер намного меньше, да к тому же их можно и нужно заряжать. Производитель говорит, 300-600 циклов выдерживают.
Размеры есть разные и подобрать нужный не составляет труда.
Саморазряд настолько низкий, что лежат годами и остаются заряженными, т.е. устройство остается рабочим когда оно нужно.

Рассмотрим далее характеристики, зарядные устройства и схемы защиты для литиевых аккумуляторов.

↑ «С» значит Capacity

Часто встречается обозначение вида «xC». Это просто удобное обозначения тока заряда или разряда аккумулятора с долях его ёмкости. Образовано от английского слова «Capacity» (вместимость, ёмкость).
Когда говорят о зарядке током 2С, или 0.1С, обычно имеют в виду, что ток должен составлять (2 × емкость аккумулятора)/h или (0.1 × емкость аккумулятора)/h соответственно.
Например, аккумулятор емкостью 720 mAh, для которого ток заряда составляет 0.5С, надо заряжать током 0.5 × 720mAh/h = 360 мА, это относится и к разряду.

↑ Основные характеристики литиевых аккумуляторов

Есть два основных типа литиевых аккумуляторов: Li-ion и Li-polymer.
Li-ion — литий-ионная батарея, Li-polymer — литий-полимерная батарея.
Отличие их в технологии изготовления. Li-ion имеют жидкий или гелевый электролит, а Li-polymer — твердый.
Это отличие повлияло на диапазон рабочих температур, немного на напряжение и на форму корпуса, которую можно придать готовому изделию. Ещё — на внутреннее сопротивление, но тут много зависит от качества изготовления.
Li-ion: -20 … +60°C; 3,6 V
LI-polymer: 0 .. +50°С; 3,7 V
Для начала надо разобраться, что это за вольты такие.
Производитель пишет нам 3,6 V, но это среднее напряжение. Обычно в даташитах пишут диапазон рабочих напряжений 2,5 V … 4,2 V.
Когда я первый раз столкнулся с литиевыми аккумуляторами, то долго изучал даташиты.
Ниже представлены их графики разряда при разных условиях.


Из графиков становится понятно, что рабочее напряжение при разряде 0,2С и температуре +20°C составляет 3,7 V … 4,2 V. Безусловно, батареи можно соединить последовательно и получить нужное нам напряжение.
На мой взгляд очень удобный диапазон напряжений, который подходит под многие конструкции, где используется 4,5V — они прекрасно работают. Да и соединив их 2 шт. получим 8,4 V, а это почти 9 V. Я их ставлю во все конструкции, где идёт батарейное питание и уже забыл, когда последний раз покупал батарейки.

Есть у литиевых аккумуляторов нюанс: их нельзя заряжать выше 4,2 V и разряжать ниже 2,5 V. Если разрядить ниже 2,5 V, восстановить не всегда удается, а выкидывать жалко. Значит, нужна защита от сверхразряда. Во многих батареях она уже встроена в виде мелкой платы, и её просто не видно в корпусе.

↑ Схема защиты аккумулятора от сверхразряда

Бывает, попадаются аккумуляторы без защиты, тогда приходится собирать самому. Сложности это не представляет. Во-первых есть ассортимент специализированных микросхем. Во-вторых, кажется есть собранные модули у китайцев.

А в-третьих, мы рассмотрим, что можно собрать по теме из подножных материалов. Ведь не у всех есть в наличии современные чипы или привычка отовариваться на АлиЭкспресс.
Я пользуюсь вот такой суперпростой схемой многие годы и ни разу аккумулятор не вышел из строя!

Конденсатор можно не ставить, если нагрузка не импульсная и стабильно потребляющая. Диоды любые маломощные, их количество надо подобрать по напряжению отключения транзистора.
Транзисторы я применяю разные, в зависимости от наличия и тока потребления устройства, главное чтоб напряжение отсечки было ниже 2,5 V, т.е. чтоб он открылся от напряжения аккумулятора.

Настраивать схему лучше на монтажке. Берём транзистор и подавая на затвор напряжение через резистор сопротивлением 100 Ом … 10 К, проверяем напряжение отсечки. Если оно не более 2,5 V, то экземпляр годен, далее подбираем диоды (количество и иногда тип), чтобы транзистор начинал закрываться при напряжении примерно 3 V.
Теперь подаем напряжение от БП и проверяем чтобы схема срабатывала при напряжении примерно 2,8 — 3 V.
Иными словами, если напряжение на аккумуляторе опустится ниже порогового, которые мы установили, то транзистор закроется и отключит нагрузку от питания, предотвратив тем самым вредный глубокий разряд.

↑ Особенности процесса зарядки литиевого аккумулятора

Что ж, наш аккумулятор разрядился, теперь пора его безопасно зарядить.
Как и с разрядкой, с зарядкой тоже не всё так просто. Максимальное напряжение на банке должно быть не более 4,2 V ±0.05 V! При превышении этого значения литий переходит в металлическое состояние и может произойти перегрев, возгорание и даже взрыв аккумулятора.

Заряд аккумуляторов осуществляется по достаточно простому алгоритму: заряд от источника постоянного напряжения 4.20 Вольт на элемент, с ограничением тока в 1С.
Заряд считается завершенным, когда ток упадет до 0.1-0.2С. После перехода в режим стабилизации напряжения при токе в 1С, аккумулятор набирает примерно 70-80% емкости. Для полной зарядки необходимо время около 2-х часов.
К зарядному устройству предъявляются достаточно жесткие требования по точности поддержания напряжения в конце заряда, не хуже ±0.01 Вольт на банку.

Обычно схема ЗУ имеет обратную связь — автоматически подбирается такое напряжение, чтобы ток, проходящий через аккумулятор, был равен необходимому. Как только это напряжение становится равно 4.2 Вольтам (для описываемого аккумулятора), больше поддерживать ток в 1С нельзя — далее напряжение на аккумуляторе возрастёт слишком быстро и сильно.

В этот момент аккумулятор заряжен обычно на 60%-80%, и для зарядки остальных 40%-20% без взрывов ток требуется снизить. Проще всего это сделать, поддерживая постоянное напряжение на аккумуляторе, и он сам возьмет такой ток, который ему необходим.
При снижении этого тока до 30-10 мА аккумулятор считается заряженным.

Для иллюстрации всего вышеописанного привожу график заряда, снятый с подопытного аккумулятора:

В левой части графика, подсвеченной синим, мы видим постоянный ток 0.7 А, в то время как напряжение постепенно поднимается с 3.8 В до 4.2 В.
Также видно, что за первую половину заряда аккумулятор достигает 70% своей емкости, в то время как за оставшееся время — всего 30%.

↑ Зарядные устройства для литиевых аккумуляторов

У китайцев можно заказать по почте с бесплатной доставкой модули зарядных устройств. Модули контроллера зарядки TP4056 с гнездом мини-USB и защитой можно взять очень недорого.

А можно сделать самому простое или не очень простое зарядное устройство, в зависимости от вашего опыта и возможностей.

↑ Схема простого зарядного устройства на LM317

Схема с применением LM317 обеспечивает достаточно точную стабилизацию напряжения, которое устанавливается потенциометром R2.
Стабилизация тока не столь критична, как стабилизация напряжения, поэтому достаточно стабилизировать ток с помощью шунтирующего резистора Rx и NPN-транзистора (VT1).

Необходимый ток зарядки для конкретного литий-ионного (Li-Ion) и литий-полимерного (Li-Pol) аккумулятора выбирается путём изменения сопротивления Rx.
Сопротивление Rx приблизительно соответствует следующему отношению: 0,95/Imax.
Указанное на схеме значение резистора Rx соответствует току в 200 мА, это примерное значение, зависит так же от транзистора.

LM317 надо снабдить радиатором в зависимости от тока заряда и входного напряжения.
Входное напряжение должно быть выше напряжения аккумулятора минимум на 3 Вольта для нормальной работы стабилизатора, что для одной банки составляет?7-9 V.

↑ Схема простого зарядного устройства на LTC4054

Можно выпаять контролер заряда LTC4054 из старого сотового телефона, к примеру, Samsung (C100, С110, Х100, E700, E800, E820, P100, P510).


Вдаваться в мельчайшие подробности работы с микросхемой я не буду, всё есть в даташите. Опишу только самые необходимые особенности.
Ток заряда до 800 мА.
Оптимальное напряжение питания от 4,3 до 6 Вольт.
Индикация заряда.
Защита от КЗ на выходе.
Защита от перегрева (снижение тока заряда при температуре больше 120°).
Не заряжает аккумулятор при напряжении на нём ниже 2,9 V.

Ток заряда задается резистором между пятым выводом микросхемы и землей по формуле

↑ Индикатор разрядки литиевого аккумулятора

Вот простая схема, которая зажигает светодиод, когда батарея разряжена и её остаточное напряжение близко к критическому.

Транзисторы любые маломощные. Напряжение зажигания светодиода подбирается делителем из резисторов R2 и R3. Схему лучше подключать после блока защиты, чтоб светодиод не разрядил аккумулятор совсем.

↑ Нюанс долговечности

Производитель обычно заявляет 300 циклов, но если заряжать литий всего на 0,1 Вольта меньше, до 4.10 В, то количество циклов возрастает до 600 и даже более.

↑ Эксплуатация и меры предосторожности

Можно с уверенностью сказать, что литий-полимерные аккумуляторы самые «нежные» аккумуляторы из существующих, то есть требуют обязательного соблюдения нескольких несложных, но обязательных правил, из-за несоблюдения которых случаются неприятности.
1. Не доспускается заряд до напряжения, превышающего 4.20 Вольт на банку.
2. Не доспускается короткое замыкание аккумулятора.
3. Не доспускается разряд токами, превышающими нагрузочную способность или нагревающими аккумулятор выше 60°С. 4. Вреден разряд ниже напряжения 3.00 Вольта на банку.
5. Вреден нагрев аккумулятора выше 60°С. 6. Вредна разгерметизация аккумулятора.
7. Вредно хранение в разряженном состоянии.

Невыполнение первых трех пунктов приводит к пожару, остальных — к полной или частичной потере ёмкости.

Из практики многолетнего использования могу сказать, что ёмкость аккумуляторов изменяется мало, но увеличивается внутреннее сопротивление и аккумулятор начинает работать меньше по времени при больших токах потребления — создаётся впечатление, что ёмкость упала.
По этому я обычно ставлю ёмкость побольше, какую позволяют габариты устройства, и даже старые банки, которым лет по десять, работают вполне прилично.

Для не очень больших токов подходят старые аккумуляторы от сотовых.

Из старой ноутбучной батареи можно вытащить много вполне рабочих аккумуляторов формата 18650.

↑ Где я применяю литиевые батареи

Давно переделал шуруповерт и электроотвертку на литий. Пользуюсь этими инструментами нерегулярно. Теперь даже через год неиспользования они работают без подзарядки!

Маленькие батареи ставлю в детские игрушки, часы и т.д., где с завода стояли 2-3 «таблеточных» элемента. Там где нужно ровно 3V добавляю один диод последовательно и получается как раз.

Ставлю в светодиодные фонарики.

В тестер вместо дорогой и малоёмкой «Кроны 9V» установил 2 банки и забыл все проблемы и лишние затраты.

Вообще ставлю везде, где получается, вместо батареек.

↑ Где я покупаю литий и полезности по теме

Продаются батареи всех видов, ёмкостей и форм-факторов в Китае. По этой же ссылке найдёте модули зарядок и пр. полезности для самодельщиков.

На счёт ёмкости китайцы обычно врут и она меньше написанной.

А вот аккумуляторы Sanyo 18650 подороже, зато и ёмкость честная и качество на высоте — менял в ноутбуке.


Контроллеры заряда на TP4056 с USB-разъёмом настолько малы, что можно встраивать их непосредственно в устройство и заряжать от USB ПК или от USB-зарядки для телефона.


А есть отдельно чипы-контроллеры TP4056 SO-8 для встраивания на свою плату.


Малогабаритные литий-полимерные аккумуляторы, разной ёмкости и размеров. Выводы сделаны проводами, что для нас очень удобно. Обычно есть защита.

↑ Файлы

В архиве даташиты на некоторые аккумуляторы и чип LTC4054.
🎁li-akkumulyatory.zip  1.25 Mb ⇣ 76

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации