Если какой-нибудь Тони Старк не вмешается и не изобретет дуговой реактор или не пройдут исследования в области спутников на солнечной энергии (SPS) для беспроводной передачи энергии, нам, людям, придется зависеть от батарей для питания наших портативных или удаленных электронных устройств. Наиболее распространенный тип аккумуляторов, которые можно встретить сейчас в бытовой электронике, — это литий-ионные или литий-полимерные батареи. В этой статье нас будут интересовать литий-ионные аккумуляторы, поскольку они, как правило, более полезны, чем все другие типы батарей. Будь то небольшой блок питания, ноутбук или что-то такое же большое, как новая модель Tesla 3, все питается от литий-ионной батареи. Да, конечно, в некоторых приложениях сейчас аккумуляторы все больше теснят суперконденсаторы, но пока они не могут одержать над ними безоговорочную победу.

Что делает эти батареи особенными? Что вам следует знать об этом, прежде чем использовать его в своих проектах/проектах? Как вы будете безопасно заряжать или разряжать эти батареи? Если вам интересно узнать ответы на все эти вопросы, значит, вы попали на нужную статью, просто расслабьтесь и прочитайте ее, а я постараюсь сделать ее как можно более интересной.

История литий-ионных аккумуляторов

Идея литий-ионной батареи была впервые выдвинута Дж. Н. Льюисом в 1912 году, но она стала осуществимой только в 1970-х годах, и первая неперезаряжаемая литиевая батарея была выпущена на коммерческие рынки. Позже, в 1980-х годах, инженеры попытались создать первую перезаряжаемую батарею, используя литий в качестве анодного материала, и добились частичного успеха. Они не заметили, что эти типы литиевых батарей нестабильны во время процесса зарядки, и это может привести к короткому замыканию внутри батареи, повышающему температуру и вызывающему перегрев.  

В 1991 году одна такая литиевая батарея, используемая в мобильном телефоне, взорвалась над лицом мужчины в Японии. Только после этого случая стало понятно, что с литий-ионными аккумуляторами следует обращаться крайне осторожно. Огромное количество этих типов батарей, поступивших на рынок, было затем отозвано производителями по соображениям безопасности. Позже, после долгих исследований, Sony представила усовершенствованные литий-ионные аккумуляторы с новым химическим составом, которые используются до сих пор. Давайте завершим на этом уроки истории и рассмотрим химию литий-ионного аккумулятора.

Литий-ионный аккумулятор: химический состав и работа

Как ясно видно из названия, литий-ионные аккумуляторы используют ионы лития для выполнения своей работы. Литий — очень легкий металл с высокой плотностью энергии, это свойство позволяет батарее иметь небольшой вес и обеспечивать большой ток при небольшом форм-факторе. Плотность энергии — это количество энергии, которое может храниться в единице объема батареи. Чем выше плотность энергии, тем меньше будет батарея. Несмотря на превосходные свойства металлического лития, его нельзя использовать в качестве электрода непосредственно в батареях, поскольку литий очень нестабилен из-за своей металлической природы. Поэтому мы используем литий-ионные батареи, которые более или менее обладают теми же свойствами, что и металлический литий, но они неметаллические и их сравнительно безопаснее использовать.

Обычно анод литиевой батареи изготовлен из углерода, а катод батареи изготовлен из оксида кобальта или другого оксида металла. Электролит, используемый для соединения этих двух электродов, представляет собой простой раствор соли, содержащий ионы лития. При разряде положительно заряженные ионы лития движутся к катоду и бомбардируют его, пока он не станет положительно заряженным. Поскольку катод заряжен положительно, он притягивает к себе отрицательно заряженные электроны. Эти электроны заставляют течь ток через нашу цепь, питая ее.

Аналогично во время зарядки происходит прямо противоположное. Электроны из зарядов перетекают в батарею, и, следовательно, ионы лития движутся к аноду, заставляя катод терять свой положительный заряд.

Введение в литий-ионные аккумуляторы

Достаточно теории о литий-ионных батареях, теперь давайте практически познакомимся с этими элементами, чтобы мы могли быть уверены в их использовании в наших проектах. Наиболее часто используемой литий-ионной батареей является батарея 18650, поэтому в этой статье мы обсудим именно ее. Типичная ячейка 18650 показана на изображении ниже.

Как и все аккумуляторы, литий-ионный аккумулятор также имеет номинальное напряжение и емкость. Номинальное напряжение для всех литиевых элементов составит 3,6 В, поэтому если вам потребуется более высокое напряжение, то для его достижения вам придется объединить два или более таких элемента последовательно. По умолчанию все литий-ионные элементы будут иметь номинальное напряжение всего ~3,6 В. Этому напряжению можно позволить снизиться до 3,2 В при полной разрядке и повысить до 4,2 В при полной зарядке. Всегда помните, что разряд батареи ниже 3,2 В или зарядка выше 4,2 В приведет к необратимому повреждению батареи и также может стать причиной фейерверка. Давайте разберем терминологию, используемую в батарее 18650, чтобы мы могли лучше понять его принцип работы. Имейте в виду, что эти объяснения применимы только для одного элемента 18650, позже мы поговорим подробнее о литий-ионных аккумуляторных батареях, где более одного элемента соединены последовательно или параллельно, чтобы получить гораздо более высокие номинальные значения напряжения и тока.

Номинальное напряжение: Номинальное напряжение — это фактическое номинальное напряжение элемента 18650. По умолчанию оно составляет 3,6 В и останется одинаковым для всех ячеек 18650, независимо от производителя.

Напряжение полного разряда:  никогда нельзя допускать разрядку элемента 18650 ниже 3,2 В. Невыполнение этого требования приведет к изменению внутреннего сопротивления аккумулятора, что приведет к необратимому повреждению аккумулятора, а также может привести к взрыву.

Напряжение полной зарядки: напряжение зарядки литий-ионного элемента составляет 4,2 В. Следует следить за тем, чтобы напряжение элемента не увеличивалось на 4,2 В в любой момент времени.

Номинал мАч: Емкость элемента обычно выражается в мАч (миллиампер-час). Это значение будет варьироваться в зависимости от типа приобретенной вами ячейки. Например, предположим, что емкость нашей ячейки составляет 2000 мАч, что составляет не что иное, как 2 Ач (Ампер/час). Это означает, что если мы потребляем 2 А от этой батареи, ее хватит на 1 час, и аналогичным образом, если мы получим от этой батареи ток 1 А, ее хватит на 2 часа. Поэтому, если вы хотите знать, как долго аккумулятор будет питать ваш проект (время работы), вам необходимо рассчитать его, используя рейтинг мАч.

При этом потребляемый ток должен находиться в пределах предела номинала C.

На нашем сайте мы рассматривали два проекта тестера емкости литий-ионных батарей 18650 на основе платы Arduino: проект № 1 и проект № 2.

Рейтинг C: Если вы когда-нибудь задавались вопросом, какой максимальный ток вы можете получить от батареи, то ответ можно получить, исходя из рейтинга батареи C. Номинал C батареи снова меняется для каждой батареи, давайте предположим, что у нас есть батарея емкостью 2 Ач с рейтингом 3C. Значение 3C означает, что аккумулятор может выдавать номинальный ток в 3 раза превышающий его максимальный ток. В этом случае он может выдавать максимальный ток до 6 А (3*2 = 6). Обычно ячейки 18650 имеют только рейтинг 1C.

Ток зарядки.  Еще одна важная характеристика аккумулятора, на которую следует обратить внимание, — это ток зарядки. Тот факт, что батарея может выдавать максимальный ток 6 А, не означает, что она может заряжаться током 6 А. Максимальный зарядный ток аккумулятора будет указан в техническом описании аккумулятора, поскольку он варьируется в зависимости от аккумулятора. Обычно это 0,5C, что означает половину значения рейтинга Ah. Для аккумулятора емкостью 2 Ач зарядный ток составит 1 А (0,5*2 = 1).

Время зарядки: Минимальное время зарядки, необходимое для зарядки одного элемента 18650, можно рассчитать, используя значение зарядного тока и номинальную мощность аккумулятора. Например, зарядка аккумулятора емкостью 2 Ач зарядным током 1 А займет около 2 часов, при условии, что зарядное устройство использует только метод CC (постоянного тока) для зарядки элемента. Более подробно про способы зарядки литий-ионных батарей вы можете узнать из этой статьи. 

Внутреннее сопротивление (IR). Состояние и емкость аккумулятора можно предсказать путем измерения внутреннего сопротивления аккумулятора. Это не что иное, как величина сопротивления между анодной (положительной) и катодной (отрицательной) клеммами аккумулятора. Типичное значение IR ячейки будет указано в таблице данных. Чем больше оно отклоняется от фактического значения, тем менее эффективной будет батарея. Значение IR для элемента 18650 будет находиться в диапазоне миллиом, и существуют специальные инструменты для измерения значения IR. На нашем сайте вы можете прочитать статью про измеритель внутреннего сопротивления батареи на ATtiny85.

Методы зарядки. Существует множество методов зарядки литий-ионного аккумулятора. Но наиболее часто используется трехступенчатая топология. Три этапа: CC, CV и капельная зарядка. В режиме CC (Constant current - постоянный ток) элемент заряжается постоянным зарядным током путем изменения входного напряжения. Этот режим будет активен до тех пор, пока аккумулятор не зарядится до определенного уровня, затем запускается режим CV (Constant Voltage - постоянное напряжение) , в котором напряжение зарядки обычно поддерживается на уровне 4,2 В. Последний режим — это импульсная зарядка или капельная зарядка, при которой на батарею подаются небольшие импульсы тока для увеличения срока службы батареи. Существуют также гораздо более сложные зарядные устройства, включающие 7 этапов зарядки. Мы не будем углубляться в эту тему, поскольку она выходит за рамки данной статьи. 

Состояние заряда (State Of Charge, SOC) %: Состояние заряда — это не что иное, как емкость аккумулятора, аналогичная той, которая отображается в нашем мобильном телефоне. Емкость батареи невозможно точно рассчитать с помощью ее уровня напряжения, она обычно рассчитывается с использованием интегрирования тока для определения изменения емкости батареи с течением времени.

Глубина разряда (Depth Of Discharge, DOD) %: Насколько аккумулятор может быть разряжен, определяется DOD. Ни одна батарея не будет разряжена на 100%, поскольку, как мы знаем, это повредит батарею. Обычно для всех аккумуляторов устанавливается глубина разряда 80%.

Размер ячейки. Еще одной уникальной и интересной особенностью ячейки 18650 является ее размер. Каждая ячейка будет иметь диаметр 18 мм и высоту 650 мм, поэтому ячейка получила свое название 18650.

Если вам нужно больше определений терминологии, загляните в документацию по терминологии MIT Battery, где вы обязательно найдете больше технических параметров, связанных с батареей.

Самый простой способ использовать элемент 18650

Если вы новичок и только начинаете использовать элементы 18650 для питания своего проекта, то самым простым способом будет использование готовых модулей, которые могут безопасно заряжать и разряжать ваши элементы 18650. Единственным таким модулем является модуль TP4056, который может обрабатывать одну ячейку 18650.

Если для вашего проекта требуется входное напряжение более 3,6 В, вы можете объединить две ячейки 18650 последовательно, чтобы получить напряжение 7,4 В. В таком случае используйте такой модуль, как модуль литий-ионного аккумулятора 2S 3A, который будет полезен для безопасной зарядки и разрядки аккумуляторов.

Чтобы объединить два или более элементов 18650, мы не можем использовать традиционную технику пайки для соединения между ними, вместо этого используется процесс, называемый точечной сваркой. Кроме того, при последовательном или параллельном объединении ячеек 18650 следует проявлять больше осторожности, о чем говорится в следующем разделе.

Последовательное и параллельное соединение литий-ионных аккумуляторов

Для питания небольшой портативной электроники или небольших устройств достаточно одного элемента 18650 или, самое большее, пары последовательно соединенных элементов. В этом типе приложений сложность меньше, поскольку количество задействованных батарей меньше. Но для более крупных приложений, таких как электрический велосипед/мопед или автомобили Tesla, нам нужно будет соединить множество этих ячеек последовательно и параллельно, чтобы достичь желаемого выходного напряжения и мощности. Например, автомобиль Tesla содержит более 6800 литиевых элементов номиналом 3,7 В и 3,1 Ач каждый. На картинке ниже показано, как устроен тяговый аккумулятор внутри шасси автомобиля.

При таком большом количестве элементов для мониторинга нам нужна специальная схема, которая может просто заряжать, контролировать и безопасно разряжать эти элементы. Эта специальная система называется системой мониторинга батареи (Battery monitoring System, BMS). Задача BMS — контролировать напряжение отдельных ячеек каждого литий-ионного элемента, а также проверять его температуру. Помимо этого, некоторые BMS также контролируют ток зарядки и разрядки системы.

При объединении более двух элементов в блок следует позаботиться о том, чтобы они имели одинаковый химический состав, напряжение, номинал Ач и внутреннее сопротивление. Кроме того, во время зарядки элементов BMS следит за тем, чтобы они заряжались и разряжались равномерно, чтобы в любой момент времени все батареи поддерживали одинаковое напряжение, это называется балансировкой ячеек. Помимо этого, разработчику также приходится беспокоиться об охлаждении этих батарей во время зарядки и разрядки, поскольку они плохо реагируют на высокие температуры. 

Надеюсь, эта статья предоставила вам достаточно информации, чтобы вы могли немного уверенно обращаться с литий-ионными аккумуляторами. 

45 просмотров