Как правильно заряжать литий ионный аккумулятор

Литий-ионные элементы в качестве возобновляемых электрохимических источников тока стремительно завоевали значительную часть рынка мобильных аккумуляторов электроэнергии. Обладая множеством плюсов, они обладают и определенными недостатками, один из которых – относительно высокая стоимость. Чтобы продлить жизнь недешевых элементов, надо знать и соблюдать правила зарядки литиевых аккумуляторов.

Как зарядить литий ионный аккумулятор

Идеально правильный процесс пополнения запаса энергии литий-ионного элемента состоит из двух этапов:

• сначала батарея заряжается стабильным током – для поддержания этого режима по мере зарядки напряжение источника зарядного тока увеличивается;
• второй этап производится при достижении уровня 80-85% емкости и выполняется стабильным напряжением (ток при этом падает).

На рисунке есть и предварительный этап зарядки – он производится малым током (до 0,1С). Эта стадия применяется к глубоко разряженным элементам – сначала они доводятся до выходного уровня 2,45 вольт, затем заряжаются до номинала в штатном режиме.

Чтобы не усложнять схемотехнику зарядных устройств, этап зарядки стабильным напряжением выполняют посредством питания заряжаемой батарейки импульсным током так, чтобы ширина импульса постоянно уменьшалась – это ведет к постоянному среднему значению напряжения.

Другой вариант формирования постоянного напряжения – зарядка ступенчатым током, который поэтапно снижается к концу зарядки. При этом также достигается примерно постоянное напряжение на выводах батареи.

Часто и этот этап вырождается в одну ступень – при достижении нужного уровня зарядный ток ступенчато снижается вдвое. Напряжение при этом растет, но можно считать его условно-постоянным.

В зависимости от назначения зарядные устройства имеют различные схемы исполнения и используют различные алгоритмы пополнения энергии аккумуляторов – от идеальных до упрощенных.

Выбор тока

Для нормального заряда выбирается ток первого этапа в районе 0,2 С. Например, для аккумулятора форм-фактора 18650 емкостью 3000 мА*ч такой ток составит 600 мА, и процесс для полностью разряженной батарейки затянется на 5 часов. Чтобы ускорить зарядку li-ion элемента, на него можно подавать ток от 0,5С до С – это считается нормальным. Ток выше С (вплоть до 5С) считается режимом Fast charge (быстрая зарядка). При этом батарея заряжается быстрее, но срок службы ее снижается.

Время заряда

Время заряда литий-ионного аккумулятора зависит, большей частью, от трех факторов:

• зарядного тока;
• фактической (остаточной) емкости батареи;
• степенью заряженности батареи перед началом процесса пополнения энергии.

В зависимости от сочетания этих трех условий, батарея может заряжаться от нескольких минут до нескольких часов, поэтому выполнить точный расчет времени подзаряда очень сложно, да на практике и не нужно. Процесс должен быть закончен, когда на выводах АКБ уровень напряжения достигнет 4,2 вольта. Если зарядка ведется под управлением контроллера, он отключит аккумулятор автоматически. Если нет – следить за этим придется самостоятельно.

Нюансы зарядки китайскими модулями

На торговых площадках в интернете можно приобрести небольшие платы для создания зарядных устройство литий-ионных источников питания производства Юго-Восточной Азии. Это хороший способ организовать недорогое и эффективное зарядное устройство. Надо лишь осознавать, что качество перевода на торговых площадках в интернете невысокое, и под названием зарядного устройства могут предлагаться:

• собственно контроллер зарядки;
• плата балансира (BMS) – необходима для пополнения запаса энергии в многоэлементных батареях, но зарядником не является и зарядный ток не контролирует.

Если к приобретению выбрано зарядное устройство, надо посмотреть, какой зарядный ток оно выдает и соотнести его с батарейками, которые предстоит заряжать. Так, если плата выдает 2 ампера, это нормально для большинства элементов 18650, но явно перебор для маленьких «пакетиков» на 200..250 милилампер-часов.

Перед покупкой надо изучить техническую документацию и выяснить возможность регулировки тока (обычно эта информация есть на страничке магазина). Обычно для этого требуется настройка потенциометра или замена резистора на другой номинал. Если такой информации нет или глубина регулирования недостаточна, надо искать другую плату.

Можно ли заряжать обычной зарядкой

Литий-ионному аккумулятору безразлично, что служит источником зарядного тока. Поэтому такую батарею можно заряжать хоть от обычной зарядки, хоть от лабораторного блока питания, хоть от другого аккумулятора (Power Bank). Главное, чтобы выход источника обеспечивал необходимый ток. Если он будет маленьким, процесс затянется надолго. Если слишком большим – аккумулятору не поздоровится. Главное – вовремя прервать процедуру, не допустив перезаряда – он опасен для батареи, она может перегреться (впрочем, и от большого тока тоже). Это может вызвать возгорание или взрыв, а тушить литий-ионные батареи очень сложно.

Как проверить уровень заряда

В отличие от кислотно-свинцового аккумулятора на 6 или 12 вольт, уровень заряженности (SOC) литий-ионной батареи по таблице соответствия мгновенного выходного напряжения определить не получится. Так, на приведенном графике видно, что в различных условиях одно и то же выходное напряжение (3,8 вольта) может соответствовать уровню заряженности как 50%, так и 2%. Естественно, ни одно пользователя такая погрешность устроить не может.

Также не способствует правильному определению степени заряженности крайне нелинейная зависимость напряжение на клеммах от нагрузки и от температуры источника питания. В гаджетах бюджетной ценовой категории такой способ иногда применяют, но полностью доверять ему нельзя.

Существуют более точные методы определения емкости, например, по установившемуся напряжению, но для его измерения требуется несколько часов стабильной нагрузки (а лучше – разомкнутой цепи), чего в реале практически никогда не бывает. Но существуют математические методы, способные рассчитать остаточный заряд по установившемуся в течение короткого времени напряжению.

Этот способ также не дает абсолютной точности, но для практических целей вполне применим. Существуют и другие методы измерения остаточного заряда, более достоверные:

• измерение внутреннего сопротивления аккумулятора;
• интегрирования тока;
• по составу электролита;
• другие способы.

Недостаток всех этих методик – сложность реализации в условиях массовых конструкций гаджетов. Поэтому точного, однозначного и простого способа, позволяющего определить остаток запаса энергии в батареях на основе лития, не существует.

Эксплуатация

Li-ion элементы наиболее удобны для пользователя. У них практически отсутствует эффект памяти. Это означает, что аккумулятор можно начинать заряжать в любой момент (не обязательно ждать разряда до нуля) и до любого уровня (не обязательно до полного). Существуют и другие ограничения (по температуре, по зарядному току), они описаны в других разделах обзора.

Среднее количество циклов зарядки

Ресурс аккумулятора на основе лития в циклическом режиме (а такой режим свойственен элементам, питающим переносные гаджеты, аккумуляторный электроинструмент и т.п.) определяется количеством циклов заряд-разряд. Это количество не так просто подсчитать, ведь оно зависит от разных условий (глубины разряда и т.п.). Считается, что большинство li-ion элементов служат 250-500 циклов, и лишь самые современные могут работать до 1000 циклов без заметной потери емкости.

Как достичь максимального количества циклов

В основном сокращает жизнь элементов на основе лития высокая температура. Отсюда основное правило – не давать аккумулятору нагреваться выше 50 градусов. Надо избегать как внешнего (от прямых солнечных лучей и т.п.), так и внутреннего нагрева (от высокого зарядного ока и т.п.). Но и снижение температуры до нуля и ниже для таких батарей вовсе не полезно.

В глобальной сети распространено мнение, что для продления ресурса надо не разряжать батарею до уровня нуля (пополнять энергию надо начинать с 10-15%) и не давать заряжаться до 100% (достаточно 90%). Это мнение весьма сомнительно. Оно не подтверждается ни описанием процессов, происходящих при этом в элементе, ни статистикой. К тому же в нем отсутствует логика – если заряжать телефон чаще, то, возможно, количество циклов увеличится, но самих время работы в каждом из них будет меньше, и продление ресурса вовсе не очевидно. Но вреда в таком режиме нет, поэтому если у пользователя есть желание – он может эксплуатировать аккумулятор по такому расписанию. Вера в некоторых случаях творит чудеса.

Как хранить li ion аккумуляторы

Хранить литий-ионные аккумуляторы «на потом» — не лучшая идея. Они имеют свойство деградировать со временем, независимо от того, используются источники электроэнергии, или просто лежат. Повлиять на этот процесс сложно.

Другая опасность, потенциально сокращающая срок службы li-ion батарей – саморазряд. Элементы на основе лития имеют низкую склонность к саморазряду, но он все равно происходит. Поэтому есть опасность, что в процессе хранения батарея уйдет в глубокий разряд. Это может убить батарею раньше, чем естественная деградация. Поэтому правильно хранить аккумулятор в частично или полностью заряженном состоянии (на сколько процентов – не важно) и периодически проверять напряжение на клеммах. Как только оно опустится ниже 3 вольт, батарею надо подзарядить.

Грамотная эксплуатация батарей позволяет наиболее полно использовать их ресурс, заложенный разработчиком. А правильная зарядка элементов является основным фактором, влияющим на продолжительность периода использования.