Рекомендации к зарядке литий ионных аккумуляторов. Как продлить жизненный цикл литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов

Литий -онные аккумуляторы (Li-ion) представляют собой наиболее распространенный тип электрического аккумулятора. Он используется практически во всей современной бытовой технике. Впервые подобный носитель энергии был изготовлен компанией Sony в 1991 году.

Где применяются

Сегодня литий-ионные аккумуляторы применяются повсеместно в таких электронных приборах, как цифровые фотоаппараты, видеокамеры, ноутбуки, мобильные телефоны и так далее. Кроме того, за счет низкой интенсивности саморазряда и большому количеству циклов зарядки и разрядки аккумуляторы Li-ion очень удобны в приборах альтернативной энергетики. Такие устройства, кроме традиционной системы BMS, оснащаются специальными преобразователями напряжения - инверторами. В последнее время литий-ионные аккумуляторы стали использоваться в электромобилях и различных энергетических системах в качестве накопителей энергии.

Устройство литий-ионного аккумулятора

Основные параметры работы такого типа батарей зависят от их химического состава и варьируются в широких пределах. Чтобы при превышении напряжения во время зарядки аккумулятор не загорелся, в его корпус встраивается контроллер заряда. Он защищает устройство от превышения допустимого напряжения заряда. Кроме того, во многих системах этот контроллер опционально может отслеживать температуру батареи и отключать ее при перегревании или же ограничивать ток потребления и глубину заряда. Однако не все современные аккумуляторы такого типа оснащаются подобной защитой. Многие производители стараются гнаться за себестоимостью и емкостью, но при этом не уделяют должное внимание защите.

Балансировка аккумулятора

Все литий-ионные аккумуляторы обладают специфическими требованиями в случае подключения их последовательно по типу банок. Для этой цели зарядные устройства к такими батареям имеют специальную систему балансировки ячеек. Суть этой схемы заключается в том, что одна из банок достигнет полной зарядки раньше другой. Поэтому к заряженной банке нужно прекратить подачу энергии и при этом продолжить зарядку остальных. Функция балансировки в таких зарядных устройствах выполняет узел аккумуляторной балансировки. Он позволяет заряжать батареи так, чтобы ток шел через уже заряженную банку. Подобные зарядные системы обеспечивают поддержание заряда в диапазоне от 4 до 4,2 В, что позволяет детектировать наличие аккумуляторов.

Схема работы

Устройство подобного аккумулятора включает в себя два электрода, разделенные между собой пропитанными пористыми сепараторами. Эти электроды помещаются в герметичный корпус, а аноды с катодами соединяются между собой при помощи клемм-токосъемников. В корпусе расположен предохранительный клапан, который сбрасывает внутреннее давление в аварийных ситуациях и при различных нарушениях эксплуатационных условий.

Виды аккумуляторов

Современные литий-ионные аккумуляторы отличаются между собой по типу катодного материала. Основным переносчиком заряда здесь является ион лития, который может внедряться в кристаллическую оболочку остальных материалов, например графита, солей или оксидов других металлов. Что касается отрицательных пластин, то их первоначально делали из металлического лития, а потом их место занял каменноугольный кокс. В последующем для этой цели стал применяться графит, а после - другие материалы. Основные виды катодных материалов:

• Литиевый оксид кобальта - обеспечивает работу аккумуляторов при более низких температурах с повышением количества зарядов и разрядов.
• Литий-феррум-фосфатный катод - используется во многих аккумуляторах ввиду их низкой стоимости.
• Литий-марганцевая шпинель.

Как правило, современные литий-ионные аккумуляторы используются в комплекте с системами управления и контроля, а также с универсальным устройством зарядки и разрядки.

Технические характеристики

Современные литий-ионные аккумуляторные батареи имеют свои технические характеристики, которые желательно знать при их использовании. В частности, номинальное напряжение одного элемента составляет от 3,5 до 3,8 В, а максимальное - от 4,23 В. При этом минимальное напряжение колеблется в пределах от 2,5 до 3,0 В. Как правило, большинство таких аккумуляторных батарей рассчитаны на 500-600 циклов зарядки и разрядки до достижения 80%. При этом заряжаются они достаточно быстро - от 20 минут до 1 часа. Находясь при комнатной температуре литий ионные аккумуляторы в среднем саморазряжаются на 3% в течение месяца. Несмотря на то, что такая батарея может работать в достаточно широком диапазоне температур (от -40°C до +50°C), оптимальной температурой для работы считается +20°C. В таких условиях батарея будет обладать наибольшей емкостью и длительным сроком эксплуатации.

Правила эксплуатации

Литий-ионные аккумуляторы считаются гораздо более простыми в эксплуатации, чем гибридные никель-металлические батареи. Однако и они нуждаются в определенном уходе. Для того, чтобы эти устройства работали долго и не теряли своих возможностей, их нужно уметь правильно заряжать. Это позволит продлить их жизненный цикл и время работы мобильных приборов без подзарядки. Для того, чтобы правильно эксплуатировать литий ионные аккумуляторы, необходимо учитывать 5 основных правил.

• Не допускать полного разряда

Литий-ионные аккумуляторы не имеют эффекта памяти, поэтому их необходимо заряжать до того, как они разрядятся до нуля. Большинство производителей рассчитывают время жизни батареи количеством циклов их полной разрядки до нуля. Как правило, это от 400 до 600 зарядов для качественных аккумуляторов. Поэтому для увеличения срока службы батареи следует почаще заряжать свой телефон или другое мобильное устройство. Как только показатель заряда уменьшается до 10-20 процентов, следует ставить прибор на зарядку. Благодаря этому можно существенно увеличить количество циклов разряда до тысячи и более.

• Разряжать не менее 1 раза в 3 месяца

Если вы хотите правильно ухаживать за литий-ионным аккумулятором, то его необходимо разряжать хотя бы 1 раз в 3 месяца. Это связано с тем, что полный заряд на протяжении длительного промежутка времени приносит батарее не меньший вред, чем постоянный разряд до нуля. Поскольку процесс заряда зачастую происходит нестабильно, то специалисты советуют хотя бы раз в 2-3 месяца полностью заряжать батарею и оставлять ее заряженной до 12 часов. Такая процедура позволяет сбросить верхние и нижние флаги аккумуляторного заряда.

• Хранить аккумуляторы частично заряженными

Специалисты считают, что наиболее правильно хранить аккумуляторы в частично заряженном состоянии. Наиболее оптимальный вариант - это хранение батарей с уровнем заряда до 50 процентов, но не менее 30 процентов. При этом температура хранения должна быть около 15 градусов. Это самый удачный способ хранения, так как даже если литий ионный аккумулятор находится в состоянии полной зарядки, его емкость может со временем значительно уменьшаться. Однако еще хуже оставлять батареи надолго в разряженном виде. Если она пробыла в таком состоянии длительное время, то тогда ее смело можно отправлять в утиль. Сегодня существуют специальные таблицы, по которым можно рассчитать остаток емкости в зависимости от уровня заряда и температуры окружающей среды.

• Использовать только оригинальное зарядное устройство

Не каждый пользователь знает, что большинство мобильных телефонов имеет встроенное внутрь зарядное устройство. В то же время, наружный сетевой адаптер здесь используется только для снижения напряжения и выпрямления тока электросети. Поэтому напрямую на батарею внешний адаптер не влияет и его качество не оказывает существенного влияния на работу аккумулятора. Однако во многих гаджетах, например в цифровых камерах, такого встроенного зарядного устройства нет. В связи с этим литий ионные аккумулятора непосредственно вставляются во внешнее зарядное устройство. Поэтому использование неоригинальных сомнительных адаптеров может существенно снизить работоспособность батареи.

• Не допускать перегревания

Чтобы правильно эксплуатировать литий ионные аккумуляторы, необходимо помнить об их температурной чувствительности. В частности, главным врагом таких батарей считается высокая температура. То есть они в принципе не переносят перегревания. Поэтому желательно полностью исключить попадание на ваше мобильное устройство прямых лучей солнца. Кроме того, эти приборы не следует оставлять слишком близко от источников тепла, например электрических обогревателей.

Сегодня у многих пользователей скопилось по несколько рабочих и неиспользуемых литиевых аккумуляторов, появляющихся при замене мобильных телефонов на смартфоны.

При эксплуатации аккумуляторов в телефонах со своим зарядным устройством, благодаря использованию специализированных микросхем для контроля заряда, проблем с зарядом практически не возникает. Но при использовании литиевых аккумуляторов в различных самоделках возникает вопрос, как и чем заряжать такие аккумуляторы. Некоторые считают, что литиевые аккумуляторы уже содержат встроенные контроллеры заряда, но на самом деле в них встроены схемы защиты, такие аккумуляторы называют защищёнными. Схемы защиты в них предназначены в основном для защиты от глубокого разряда и превышения напряжения при зарядке выше 4,25В, т.е. это аварийная защита, а не контроллер заряда.

Некоторые «самодельщики» на сайте тут - же напишут, что за небольшие деньги можно заказать специальную плату из Китая, с помощью которой можно зарядить литиевые аккумуляторы. Но это только для любителей «шопинга». Нет смысла покупать то, что легко собирается за несколько минут из дешевых и распространенных деталей. Не нужно забывать и о том, что заказанную плату придется ждать около месяца. Да и покупное устройство не приносит такого удовлетворения, как сделанное своими руками .

Предлагаемое зарядное устройство способен повторить практически каждый. Данная схема весьма примитивна, но полностью справляется со своей задачей. Все что требуется для качественной зарядки Li-Ion аккумуляторов, это стабилизировать выходное напряжение зарядного устройства и ограничить ток заряда.

Зарядное устройство отличается надежностью, компактностью и высокой стабильностью выходного напряжения, а, как известно, для литий-ионных аккумуляторов это является очень важной характеристикой при зарядке.

Схема зарядного устройства для li-ion аккумулятора

Схема зарядного устройства выполнена на регулируемом стабилизаторе напряжения TL431 и биполярном NPN транзисторе средней мощности. Схема позволяет ограничить зарядный ток аккумулятора и стабилизирует выходное напряжение.

В роли регулирующего элемента выступает транзистор Т1. Резистор R2 ограничивает ток заряда, значение которого зависит лишь от параметров аккумулятора. Рекомендуется использовать резистор мощностью 1 вт. Другие резисторы могут иметь мощность 125 или 250 мВт.

Выбор транзистора определяется необходимым зарядным током установленным для зарядки аккумулятора. Для рассматриваемого случая, зарядки аккумуляторов от мобильных телефонов, можно применить отечественные или импортные NPN транзисторы средней мощности (например, КТ815, КТ817, КТ819). При высоком входном напряжении или использовании транзистора малой мощности, необходимо транзистор установить на радиатор.

Светодиод LED1 (выделен красным цветом в схеме), служит для визуальной сигнализации заряда аккумулятора. При включении разряженного аккумулятора, индикатор светится ярко и по мере заряда тускнеет. Свечение индикатора пропорционально току заряда аккумулятора. Но следует учесть, что при полном затухании светодиода, батарея все еще будет заряжаться током менее 50ма, что требует периодического контроля над устройством для исключения перезаряда.

Для повышения точности контроля окончания заряда, в схему зарядного устройства добавлен дополнительный вариант индикации заряда аккумулятора (выделен зеленым цветом) на светодиоде LED2, маломощном PNP транзисторе КТ361 и датчике тока R5. В устройстве возможно использование любого варианта индикатора в зависимости от требуемой точности контроля заряда аккумулятора.

Представленная схема предназначается для заряда только одного Li-ion аккумулятора. Но это зарядное устройство можно использовать и для заряда других видов аккумуляторов. Требуется лишь выставить необходимое для этого значение выходного напряжения и ток зарядки.

Изготовление зарядного устройства

1. Приобретаем или подбираем из имеющихся в наличии, комплектующие для сборки в соответствии со схемой.

2. Сборка схемы.
Для проверки работоспособности схемы и ее настройки, собираем зарядное устройство на монтажной плате.

Диод в цепи питания аккумулятора (минусовая шина – синий провод) предназначен для предотвращения разряда литий-ионного аккумулятора при отсутствии напряжения на входе зарядного устройства.

3. Настройка выходного напряжения схемы.
Подключаем схему к источнику питания напряжением 5…9 вольт. Подстроечным сопротивлением R3 устанавливаем выходное напряжение зарядного устройства в пределах 4,18 – 4,20 вольта (при необходимости, в конце настройки измеряем его сопротивление и ставим резистор с нужным сопротивлением).

4. Настройка зарядного тока схемы.
Подключив к схеме разряженный аккумулятор (о чем сообщит включившийся светодиод), резистором R2 устанавливаем по тестеру величину зарядного тока (100…300 ма). При сопротивлении R2 менее 3 ом светодиод может не светится.

5. Готовим плату для монтажа и пайки деталей.
Вырезаем необходимый размер из универсальной платы, аккуратно обрабатываем края платы напильником, очищаем и лудим контактные дорожки.

6. Монтаж отлаженной схемы на рабочую плату
Переносим детали с монтажной платы на рабочую, паяем детали, выполняем недостающую разводку соединений тонким монтажным проводом. По окончании сборки основательно проверяем монтаж.

Зарядное устройство может быть собрано любым удобным способом, в том числе и навесным монтажом. При монтаже без ошибок и исправных деталях оно начинает работать сразу же после включения.

При подключении к зарядному устройству, разряженный аккумулятор начинает потреблять максимальный ток (ограниченный R2). При приближении напряжения аккумулятора к заданному, ток заряда будет падать и при достижении напряжения на аккумуляторе 4.2 вольта, зарядный ток будет практически нулевым.

Однако оставлять аккумулятор, подключенный к зарядному устройству на продолжительное время, не рекомендуется, т.к. он не любит перезаряда даже малым током и может взорваться или загореться.

Если устройство не работает, то необходимо проверить управляющий вывод (1) TL431 на наличие напряжения. Его значение должно быть не меньше 2,5 В. Это наименьшее допустимое значение опорного напряжения для этой микросхемы. Микросхема TL431 встречается довольно часто, особенно в БП компьютеров.

Современные устройства вроде , мобильных телефонов, ноутбуков, планшетов и т.д. работают от автономного источника питания, коим зачастую выступает li-ion аккумулятор.

Широкое использование именно этого типа аккумулятора объясняется простотой и дешевизной его производства, а также отменными эксплуатационными характеристиками и большим запасом циклов разрядки-зарядки. И чтобы продлить жизнь устройства и аккумулятора, необходимо знать, как зарядить li-ion аккумулятор правильно и каких ошибок совершать не стоит.

Правила зарядки li-ion аккумуляторов

Для удобства пользователей большинство батарей снабжены специальным контроллером, который не даст заряду перейти за критические отметки. Так, при достижении нижнего предела разрядки, схема попросту перестает снабжать устройство напряжением, а при превышении максимально допустимого уровня заряда поступающий ток отключается.

Итак, как же правильно заряжать li-ion аккумуляторы: ставить устройство на подзарядку нужно при достижении показателя заряда не ниже 10-20%, а после достижения 100% заряда нужно оставить аккумулятор на подзарядке еще на 1,5-2 часа, поскольку на самом деле уровень заряда в этот момент будет составлять 70-80%.

Примерно один раз в 3 месяца нужно проводить профилактическую разрядку аккумулятора. Для этого нужно «посадить» батарею, после чего вновь зарядить полностью разряженный li-ion аккумулятор на протяжении 8-12 часов. Это поможет сбросить пороговые флаги аккумулятора. Однако частая разрядка до нуля для li-ion аккумуляторов вредна.

Каким током заряжать li-ion аккумуляторы?

Часто у пользователей возникает вопрос по поводу того, каким током заряжать li-ion аккумулятор смартфона или другого устройства. Для заряда аккумуляторов этого типа используется метод постоянного напряжения/постоянного тока. Номинальное напряжение на элемент в нем 3,6 В, и он не поддерживает медленный подзаряд после окончания полной зарядки.

Рекомендуемый ток заряда для таких батарей в среднем составляет 0,7 С, а ток разряда – 0,1 С. Если же напряжение на аккумуляторе ниже 2,9 В, рекомендуемый ток заряда составляет 0,1 С. Глубокий же разряд может привести к нехорошим последствиям, вплоть до повреждения аккумулятора.

Заряжать li-ion аккумуляторы можно при достижении любого уровня разряда, не дожидаясь критических значений. Во время подзарядки по мере приближения напряжения к максимуму, ток заряда уменьшается. По окончании же заряда ток заряда полностью прекращается.

Литий-ионные аккумуляторы не отличаются привередливостью, но для корректной работы за ними надо правильно ухаживать. Несколько простых правил помогут значительно увеличить срок службы батарей. Определим, как правильно заряжать аккумуляторы Li-Ion, чтобы они работали долгое время.

Несколько простых правил для вашего аккумулятора

Литий-ионную батарею надо использовать следующим образом:

• проводить полную разрядку раз в три месяца
• в остальное время полностью не разряжать
• хранить частично заряженной
• избегать перегрева

Теперь обо всем по порядку

Эффекта памяти у аккумуляторов такого типа нет, потому владелец может заряжать их, не дожидаясь полной разрядки. Обычно производитель рассчитывает срок службы числом циклов разряда. Качественная батарея легко может выдержать 500-600 раз. Если вы будете начинать заряжать батарею своевременно – точнее, когда показатель ее заряда снизится до 10-15 процентов, то ее срок эксплуатации возрастет приблизительно вдвое.

Но есть важный факт – иногда аккумулятор полезно разряжать полностью. Полный заряд в течение всего времени эксплуатации тоже может причинить вред.

Специалисты советуют один раз в квартал разряжать батарею полностью, а потом заряжать до максимума и держать подключенной к сети в течение десяти часов.

Почему аккумуляторы хранят заряженными?

Если вы собрались хранить батарею, то наилучшим состоянием для нее будет уровень заряда в 50 процентов. Необходима плюсовая температура, лучше около 20 градусов. Если вы оставите аккумулятор на полке на долгое время, то его емкость постепенно начнет падать. Если же отложите надолго полностью разряженную батарею, то эта ситуация еще хуже, есть большая вероятность, что потом устройство с ней даже не запустится.

Сколько аккумуляторы держат заряд?

Аккумуляторы разряжаются очень медленно, в месяц уходит 5-7 процентов заряда. Производители рекомендуют применять исключительно оригинальные зарядные устройства. Используйте только качественные вещи, покупка китайских поддельных может негативно повлиять на состояние батареи.

Особенности правильной зарядки

Чтобы аккумулятор работал дольше, не стоит начинать заряжать его сразу после прихода с мороза. Высокая температура – тоже опасный враг подобных устройств, они не в состоянии вынести перегрев. Это пагубно для их состояния и опасно для вашего здоровья, нередки случаи, когда аккумулятор, разогревшийся под воздействием работы и солнечных лучей, загорался. Samsung Galaxy Note 7 – самый яркий пример подобных устройств, дефект батареи привел к отзыву и замене большей партии смартфонов. Старайтесь эксплуатировать аккумулятор корректно, так вы сможете существенно продлить срок его жизни.