Ръководство по литиевойонни акумулаторни батерии за начинаещи

Оригиналът е на Lewin Day

2
2134

Преди време акумулаторите бяха тежки и неудобни предмети, които даваха смешно малко енергия за своите размери и тегло. Но с времето технологиите рязко се подобриха и през 2020 година имаме прекрасни мощни литиево-полимерни акумулаторни батерии, подаващи достатъчно енергия за почти всеки мобилен проект. Но при тяхното използване трябва да се се вземат предвид някои основни моменти. Ето едно кратко ръководство за начинаещи, което ще даде основната информация за използването на LiPo батериите в своите проекти.

Толкова много видове

Първите комерсиални литиевойонни акумулаторни батерии се появиха на пазара през 1991 година и за изминалите почти 30 години ние станахме свидетели на техния бърз прогрес. През това време се появиха редица нови технологии и видове батерии с различна конструкция и използвани вещества. За правилното използване на новите акумулаторни батерии е важно да се знае какъв тип батерия ви е попаднал. На това трябва да се обърне повече внимание.

Литиевойонни елементи с 18650 форм фактор, извадени от лаптоп. Модулът най-често се образува чрез точкова заварка на малки никелови лентички

Обикновено литиевойонни или Li-ion батерии се нарича цялата технология на акумулаторните литиеви батерии с цилиндричен метален корпус. Един от вариантите е уважаваният 18650 форм фактор, но има най-различни варианти и размери. Техните здрави корпуси ги направиха популярни за използване в транспортните средства, в които възникват значителни физически натоварвания.

Литий-полимерните (Li-Po) се наричан литиевойонните батерии, в които се използва полимерен електролит вместо течен. Благодарение на това е възможно да се правят батерии с най-различна форма. Тази гъвкавост ги прави полезни за използване в мобилните устройства, като смартфони и таблети, където са необходими батерии с голям капацитет и плоска форма. Този тип батерии често се използва в радиоуправляемите модели, понеже тяхното малко тегло дава съществени преимущества на безпилотните летателни апарати.

Литий-полимерни акумулаторни батерии за радиоуправляеми модели

Lithium-HV или литиевите батерии с повишено изходно напрежение са всъщност литиево-полимерни батерии, в които се използва специална слилицево-графенова добавка в анода, благодарение на която той е предпазен от повреждане. Ако повечето литиеви елементи се зареждат до максимума от 4,2 V, то те бързо се износват и губят значителна част от своя капацитет, като технологичното им време на живот значително се съкращава. Но с тази добавка елементите на батерията могат да се зареждат до 4,32 V без каквито и да било подобни негативни ефекти. Може да се каже, че това повишено напрежение Lithium-HV батерии имат с 10% по-висока плътност на енергията в сравнение с обикновените литиево-полимерни батерии.

Литий-желязо-фосфатните батерии или LiFePO4, имат малко по-различна химия, благодарение на което имат повече цикли на зареждане и разреждане за сметка на малко по-малкия капацитет. Те работят най-добре в диапазона напрежения от 3,0 до 3,65 V, а не при 3,0-4,02 V, както е при стандартната литиевойонна химия. Но благодарените на твърде плоската крива на разреждане те са идеални за замяна на старите 12 V оловни акумулатори, като вместо оригиналните шест елемента, при тях се използват четири. Тези акумулатори са по-стабилни от оловно-киселинните акумулатори, на практика не губят заряда си при престой и техният капацитет не намалява с течение на времето.

Спазвайте ограниченията

В сравнение с другите видове акумулатори и акумулаторни батерии, литиевите елементи не понасят никак добре неправилното използване. Тяхното разреждане под долния предел води до образуването на медни дендрити, заради които намалява техния капацитет и може да стане късо съединение. Прекаленото зареждане може да доведе до повреждане на анода от образуването на литиеви дендрити, което почти винаги води до късо съединение или до самоподдържаща се химична реакция с отделяне на много топлина, при която батерията започва да дими и гори. Също така, всички вътрешни елементи на акумулаторната батерия трябва да се зареждат и разреждат еднакво, понеже в противен случай бързо деградират.

Грешката може да доведе до твърде неприятни резултати

Обикновените литиевойонни батерии не бива да се зареждат много бързо. И още, на ефективността на тяхната работа силно влияе околната температура. Литиевойонните батерии никак не обичат температури под нулата, особено когато са напълно заредени. Те не бива да бъдат зареждани при отрицателни температури. В подобни условия е възможно металният литий да се прилепи към минусовия електрод, което може да повреди някои от елементите на батерията и да предизвика късо съединение. По принцип тези батерии могат да се зареждат при температура до -5°C, но зареждането трябва да става много бавно. Освен това, литиевойонните акумулаторни батерии могат да се повредят, ако се зареждат при температури над 45°C.

Ако излезете извън тези ограничения, вие просто ще убиете акумулаторната батерия, като в най-лошия случай тя може да се самозапали и дори взриви. Освен това, тези елементи могат да се раздуят, да започнат да отделят неприятен газ и не са много удобни за ежедневна работа. Може да ни се стори, че да си имаш работа с подобно нещо е твърде сложно. За щастие съвременната електроника се справя с всички тези проблеми. Правилното използване и спазването на ограниченията дават възможност за използването на тези батерии безопасно и ефективно.  Но всички, които работят с подобни захранващи елементи трябва да знаят какви са потенциалните опасности.

Работа с литиевойонните акумулаторни батерии

При използването на отделни елементи или групи елементи, като например използването на LiPo елементи в радиоуправляемите модели, достатъчно е използването на специално зарядно устройства за литиевойонни батерии. При зареждането е добре да се използва уред за измерване на напрежението на всеки елемент на батерията, особено когато тя е напълно разредена. Най-голяма ефективност се постига с използването на смарт зарядни устройства (особено при LiFePO4 и Lithium-HV батериите. Убедете се, че имате начин веднага да спрете зареждането на батерията при твърде намаляло напрежение на зареждане – добре е да има индикатор във вид на светодиод, някакъв звуков сигнал или директно автоматично изключване.

Модулите от подобен тип вършат отлична работа при използването на литиевойонни батерии в различните прототипи

Ако за вашето устройство е необходима интегрирана акумулаторна батерия, то могат да се използват специализираните платки за за зареждане и защита. Има готови модули и чипове, които  без никакви проблеми регулират работата на литиевойонните батерии. По принцип има огромен брой подобни решения – от тези, които просто прекъсват веригата при понижаване на напрежението до комплексните решения за зареждане и защита.

Компаниите като например Adafruit, продават подобни готови модули, които са отлични за начинаещите любители на електрониката, които имат нужда от от някое удобно решение за зареждане и контрол на акумулаторните батерии, без да се налага да проектират и самостоятелно да изготвят печатните платки. Има и достатъчно отворени решения, които могат с лекота да се интегрират в собствена платка.

Система за управление на батериите (BMS) за акумулатори от 12 елемента, които могат да подават до 60 А ток

За по-големите проекти със самостоятелно сглобени акумулаторни блокове използването на системи за управление на батериите (BMS) е на практика задължително. BMS не се различава особено много от чиповете за защита, но се използва при проекти, в които е необходима по-висока електрическа мощност. BMS се използват в акумулаторните блокове, съставени от по десет и повече елемента. Това могат да бъдат електрически велосипеди и други подобни. BMS често пъти се интегрира директно в корпуса на акумулаторния блок, като навън остава само конекторът.

Ако е необходима много висока устойчивост на въздействието на външната среда, то трябва да се следи каква е температурата на батериите. По-добрите BMS имат възможност за измерване на температурата, с което е изградена и температурна защита с помощта на термодвойки, които се поставят в контролните точки на акумулаторния блок. При големи токове, температурата на елементите задължително трябва да бъде следена. На практика във всички електрически велосипеди и електромобили има оборудване за следене на температурата на клетките.

Изводи

Литиевойонните батерии могат да бъдат опасни, но при правилно използване няма никаква опасност. Главното е да не се излиза от зададените ограничения на напреженията и температурите Надявам се, че тази малка инструкция ще ви помогне при използването на подобни батерии в някой свой проект.

4.3 10 гласа
Оценете статията
Абонирай се
Извести ме за
guest
2 Коментара
стари
нови оценка
Отзиви
Всички коментари