цифровая электроника
вычислительная техника
встраиваемые системы

 
» » Все что вам нужно знать о литий-ионных аккумуляторах

Все что вам нужно знать о литий-ионных аккумуляторах

Автор: Mike(admin) от 2-10-2019, 05:15

Важность использования литий-ионного (Li-Ion) аккумулятора


Сегодня мир электроники во многом зависит от батарей и аккумуляторов для питания портативных или удаленных электронных устройств. Самым распространенным типом аккумуляторных батарей, встречающихся в бытовой электронике, является литий-ионный или литий-полимерный аккумулятор. В этой статье наш интерес будет касаться литий-ионных аккумуляторов, поскольку они, как правило, более полезны, чем все другие типы. Будь то небольшой блок питания или ноутбук или что-то такое же большое, как новая модель Tesla 3, все это работает от литий-ионного аккумулятора.


Все что вам нужно знать о литий-ионных аккумуляторах

Что делает эти батареи особенными? Что вы должны знать об этом, прежде чем использовать их в своих проектах? Как вы будете безопасно заряжать или разряжать эти батареи? Если вам интересно узнать ответы на все эти вопросы, то вы нашли нужную статью.


История литий-ионного аккумулятора


Идея литий-ионной батареи была впервые придумана Г. Н. Льюисом в 1912 году, но она стала реализована только в 1970-х годах, именно тогда первая не перезаряжаемая литиевая батарея была выпущена на коммерческие рынки. Позже, в 1980-х годах, инженеры попытались сделать первую перезаряжаемую батарею, используя литий в качестве материала анода, и их попытки были частично успешными. Они не заметили, что эти типы литиевых батарей были нестабильны во время процесса зарядки, и это приводит к короткому замыканию внутри батареи, что повышает температуру и приводит к перегреву.


В 1991 году одна такая литиевая батарея, используемая в мобильном телефоне, взорвалась перед лицом человека в Японии. Только после этого инцидента стало понятно, что с литий-ионными аккумуляторами следует обращаться с особой осторожностью. Огромное количество батарей этого типа, появившихся на рынке, были отозваны производителями по вопросу безопасности. Позже, после долгих исследований, Sony представила современные литий-ионные аккумуляторы с новым химическим составом, который используется до настоящего времени. Давайте закончим урок истории и рассмотрим химию литий-ионной батареи.


Химический состав и принцип работы литий-ионного аккумулятора


Как видно из названия, литий-ионные батареи используют ионы лития для выполнения работы. Литий является очень легким металлом с высокой плотностью энергии, это свойство позволяет батарее иметь небольшой вес и обеспечивать высокий ток с небольшим форм-фактором. Плотность энергии – это количество энергии, которое может храниться в единице объема батареи, чем выше плотность энергии, тем меньше будет батарея. Несмотря на подавляющие свойства металлического лития, его нельзя использовать в качестве электрода непосредственно в батареях, поскольку литий крайне нестабилен из-за своей металлической природы. Следовательно, мы используем литий-ионы, которые более или менее обладают таким же свойством, что и металлический литий, но они неметаллические и сравнительно безопаснее в использовании.


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, будет представлять собой простой солевой раствор, содержащий ионы лития. При разряде положительно заряженные ионы лития движутся к катоду и бомбардируют его, пока он не станет положительно заряженным. Теперь, поскольку катод заряжен положительно, он притягивает к нему отрицательно заряженные электроны. Эти электроны заставляют течь через электронную цепь, таким образом питая эту цепь.


Аналогично, во время зарядки происходит обратное. Электроны от выводов заряда попадают в батарею и, следовательно, ионы лития движутся к аноду, заставляя катод терять свой положительный заряд.


Основная информация о литий-ионных аккумуляторах


Достаточно теории о литий-ионных батареях, теперь давайте практически узнаем об этих элементах, чтобы мы могли быть уверены в их использовании в наших проектах. Наиболее часто используемый литий-ионный аккумулятор – это элемент 18650, поэтому о нем мы в основном поговорим в этой статье. Типичная ячейка 18650 показана на следующем изображении.


аккумулятор 18650

Как и все батареи, литий-ионная батарея также имеет номинальное напряжение и емкость. Номинальное напряжение для всех литиевых элементов будет равно 3,6 В, поэтому для получения более высоких значений напряжения необходимо объединить два или более элементов в ряд. По умолчанию все литий-ионные элементы будут иметь номинальное напряжение всего ~ 3,6 В. Это напряжение может быть понижено до 3,2 В при полной разрядке и подниматься до 4,2 В при полной зарядке. Всегда помните, что разрядка аккумулятора ниже 3,2 В или зарядка выше 4,2 В приведет к повреждению аккумулятора и может также стать рецептом фейерверка. Давайте разберем терминологию, используемую в батарее 18650, чтобы мы могли все лучше понять. Имейте в виду, что эти объяснения применимы только к одному элементу 18650, позже мы получим больше информации о литий-ионных аккумуляторных батареях, где более чем один элемент подключен последовательно или параллельно, чтобы получить гораздо более высокие значения напряжения и тока.


Номинальное напряжение: оно является фактическим номинальным напряжением ячейки 18650. По умолчанию оно составляет 3,6 В и останется неизменным для всех 18650 элементов, несмотря на их производство.


Полное напряжение разряда: элемент 18650 никогда не должен разряжаться при напряжении ниже 3,2 В, в противном случае это изменит внутреннее сопротивление батареи, что приведет к ее постоянному повреждению и может также привести к взрыву.


Напряжение полной зарядки: напряжение зарядки для ионно-литиевого элемента составляет 4,2 В. Следует позаботиться о том, чтобы напряжение элемента не увеличивалось на 4,2 В в любой момент времени.


Показатель мАч: Емкость ячейки обычно указывается в единицах мАч (Миллиампер час). Это значение будет зависеть от типа купленной ячейки. Например, давайте предположим, что наша ячейка здесь составляет 2000 мАч, что не более, чем 2 Ач (Ампер / час). Это означает, что если мы возьмем 2А от этой батареи, она будет работать в течение 1 часа, и аналогично, если мы возьмем 1А от этой батареи, она будет работать в течение 2 часов. Так что, если вы хотите знать, как долго будет работать батарея, которую вы используете, тогда вы должны рассчитать это, используя показатель мАч.


Показатель C: Если вы когда-либо задавались вопросом, каков максимальный уровень тока, который вы можете получить от батареи, тогда ваш ответ можно получить из оценки C батареи. Показатель C батареи снова изменяется для каждой батареи, давайте предположим, что батарея, которую мы имеем, является батареей с 2 Ач и оценкой 3C. Значение 3C означает, что батарея может выдавать в 3 раза больше номинального значения Ач, чем его максимальный ток. В этом случае он может подавать до 6 А (3 * 2 = 6) в качестве максимального тока. Обычно элементы 18650 имеют рейтинг только 1С.


Зарядный ток: Еще одна важная характеристика батареи, которую следует учитывать – это ток заряда. То, что батарея может обеспечивать максимальный ток 6А, не означает, что она может заряжаться от 6А. Максимальный зарядный ток батареи будет указан в техническом описании батареи, так как он зависит от ее типа. Обычно это будет 0.5C, что означает половину значения показателя Ач. Для батареи номиналом 2 Ач ток зарядки будет 1 А (0,5 * 2 = 1).


Время зарядки: минимальное время зарядки, необходимое для зарядки одного аккумулятора 18650, можно рассчитать, используя значение зарядного тока и показатель Ачбатареи. Например, для зарядки батареи 2 Ач с током зарядки 1 A потребуется около 2 часов, при условии, что зарядное устройство использует только метод CC для зарядки батареи.


Внутреннее сопротивление (ВС): Состояние и емкость батареи можно предсказать, измерив внутреннее сопротивление батареи. Это не что иное, как значение сопротивления между анодной (положительной) и катодной (отрицательной) клеммами батареи. Типичное значение ВС ячейки будет упомянуто в спецификации. Чем больше оно отклоняется от фактического значения, тем менее эффективным будет аккумулятор. Значение ВС для элемента 18650 будет в диапазоне миллиом, и есть специальные инструменты для измерения значения ВС.


Методы зарядки: Существует множество методов зарядки литий-ионных элементов. Но наиболее часто используется топология с 3 шагами. Три шага – это CC, CV и подзарядка. В режиме CC (постоянный ток) элемент заряжается постоянным зарядным током путем изменения входного напряжения. Этот режим будет активен до тех пор, пока батарея не зарядится до определенного уровня, затем начинается режим CV (постоянное напряжение), где зарядное напряжение обычно поддерживается на уровне 4,2 В. Последний режим – импульсная зарядка или струйная зарядка, когда небольшие импульсы тока передаются на батарею, чтобы улучшить жизненный цикл батареи. Существуют также более сложные зарядные устройства, включающие 7 ступеней зарядки. Мы не будем углубляться в эту тему, поскольку она выходит за рамки данной статьи.


Состояние заряда %: Состояние заряда – это не что иное, как индикация емкости аккумулятора, аналогичная показанной на вашем мобильном телефоне. Емкость батареи не может быть просто рассчитана с помощью значения напряжения, обычно она рассчитывается с использованием интегрирования тока для определения изменения емкости батареи с течением времени.


Глубина разряда %: насколько сильно батарея может быть разряжена, определяется глубиной разряда. Никакая батарея не будет разряжена на 100%, поскольку, как мы знаем, это повредит батарею. Обычно для всех батарей устанавливается глубина разряда 80%.


Размер ячейки: Другой уникальной и интересной особенностью ячейки 18650 является ее размер. Каждая ячейка будет иметь диаметр 18 мм и высоту 650 мм, благодаря чему эта ячейка получит свое имя 18650.


Самый простой способ использовать аккумулятор 18650


Если вы новичок и только начинаете использовать аккумуляторы 18650 для работы над вашим проектом, то самый простой способ – использовать готовые модули зарядки, которые могут безопасно заряжать и разряжать ваши элементы 18650. Такой модуль – TP4056, который может работать с одним элементом 18650.


TP4056

Если ваш проект требует более 3,6 В в качестве входного напряжения, вы можете объединить два элемента 18650 последовательно, чтобы получить напряжение 7,4 В. В таком случае используйте модуль, такой как 2S 3A Li-ion battery module, который будет полезен для безопасной зарядки и разрядки аккумуляторов.


Чтобы объединить две или более ячейки 18650, мы не можем использовать обычную технику пайки, чтобы сделать соединение между ними, вместо этого используется процесс, называемый точечной сваркой. Кроме того, при объединении 18650 ячеек последовательно или параллельно следует уделять больше внимания процессу, что обсуждается в следующем параграфе.


Многоэлементный литий-ионный аккумулятор (элементы последовательно и параллельно)


Для питания небольшой портативной электроники или небольших устройств достаточно одной батареи 18650 или не более пары последовательных устройств. В этом типе применения сложность меньше, поскольку количество используемых батарей меньше. Но для более крупных применений, таких как автомобили с электрическим приводом типа Tesla, нам нужно будет соединять множество этих ячеек последовательно и параллельно, чтобы достичь желаемого выходного напряжения и емкости. Например, автомобиль Tesla содержит более 6800 литиевых элементов, каждый с номиналом 3,7 В и 3,1 Ач. На изображение ниже показано, как это устроено внутри шасси автомобиля.


Аккумулятор электромобиля

С таким большим количеством ячеек для мониторинга заряда нам нужна специальная схема, которая может просто заряжать, контролировать и разряжать эти ячейки безопасно. Эта специальная система называется системой мониторинга батареи (BMS). Работа BMS состоит в том, чтобы контролировать напряжение отдельных элементов каждого литий-ионного элемента, а также проверять его температуру. Помимо этого, некоторые BMS также контролируют ток зарядки и разрядки системы.


При объединении более двух ячеек для формирования аккумулятора следует позаботиться о том, чтобы они имели одинаковый химический состав, напряжение, номинальное значение Ач и внутреннее сопротивление. Кроме того, при зарядке элементов BMS гарантирует, что они заряжаются равномерно и разряжаются равномерно, так что в любой момент времени все батареи поддерживают одинаковое напряжение, это называется балансировкой элементов. Помимо этого, разработчику также нужно беспокоиться об охлаждении этих батарей во время зарядки и разрядки, поскольку они плохо работают при высоких температурах.


Надеемся, что эта статья предоставила вам достаточно подробностей, чтобы вы могли быть немного увереннее в работе с литий-ионными элементами Если у вас есть какие-то конкретные сомнения или вопросы, не стесняйтесь оставлять в разделе комментариев.




© digitrode.ru


Теги: аккумулятор, батарейки



   Благодарим Вас за интерес к информационному проекту digitrode.ru.
   Если Вы хотите, чтобы интересные и полезные материалы выходили чаще, и было меньше рекламы,
   Вы можее поддержать наш проект, пожертвовав любую сумму на его развитие.


Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.

Комментарии:

Оставить комментарий