Для реализации мощного литиевого аккумулятора приходится собирать его из нескольких элементов. Вот здесь как раз и возникают сложности. Чтобы с ними совладать, необходимо вникнуть в свойства этих приборов.
Существующие схемы соединения элементов в мощную батарею обладают существенным недостатком – наличием межэлементных токов, образующихся из-за параллельного «глухого» их соединения между собой.
Этот недостаток наруку производителям батарей, которые легко проходят свой заявленный в гарантии срок эксплуатации. Но это невыгодно нам, потребителям, потому что ресурс аккумулятора используется неэффективно. Эту проблему можно в значительной степени устранить, используя оконечные литий-ионные или литий-полимерные батареи как отдельные элементы, каждая из них имеет в своём составе платы-контроллеры.
Свойства литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов
Литий-ионные аккумуляторы — это специализированные батареи (не путать с первичными батареями, которые суть элементы питания, а не хранения заряда), которые нередко являются частью автономных устройств. Конструктивно эти оба типа аккумуляторов представляет собой катодный и анодный электроды. Первый делается из соединения лития, а второй — из графита. Оба составляющих погружаются в безводный электролитный раствор. Литий-полимерные отличаются от своих «собратьев» аналогов тем, что в качестве электролита применён полимер.
Особенности, производство и характеристики
Литий-ионные аккумуляторы могут иметь прямоугольную или цилиндрическую конфигурацию. Они были открыты еще в 1912г, но только в 90-х получили свою популярность. Также и литий-полимерные были изобретены в 70-х годах, а в телефонах они появились лишь в 2020 году. Компания Samsung выпустила линейку смартфонов Galaxy S20 с литий-полимерными аккумуляторными батареями.
Правда, в более новых разработках применяются, в основном, литий-ионные энергетические приборы.
Чем вызван такой длительный промежуток между открытием и массовым применением?
Во-первых:
· Выпуск подобных батарей осуществляется на предприятиях, которые имеют в своём распоряжении конструктивный катодный материал (литий). Предполагается применение высокотехнологичного оборудования. Обязательным условием является чёткое соблюдение требований, прописанных в государственных стандартах.
Во-вторых:
· Возникают острые вопросы относительно зарядки. Первоначально стоит уяснить, что на полностью заряженной батарее напряжение составляет от 4,15 до 4,2 В.
· Минимальное напряжение на разряженном аккумуляторе — 2,5–2,8 В.
· Заряжание может осуществляться с применением высокого тока, достигающего значения 1 С (“С”- ёмкость батареи, измеряемая в Ампер×час). Однако оптимальным показателем является 0,5 С.
Если любое из этих 3-х последних условий заряда/разряда пренебречь, то изделие не только может выйти из строя, но и взорваться. А учитывая, что прибор может содержать сотни грамм энергоёмкого вещества, то его взрыв или возгорание может причинить значительную травму.
Это именно та причина, по которой литиевые аккумуляторные элементы применялись крайне редко.
Многоступенчатая зарядка
С появлением компактной электроники, способной решить многоступенчатые задачи контроля и регулировки напряжения, литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы стали применять в переносной аппаратуре. Функцию контроля заряда/разряда взяли на себя миниатюрные платы-контроллеры. Их помещают внутрь устройства, изолируя и заклеивая в саму батарею. Электронная система «неусыпно» следит за всеми режимами работы системы, не позволяя параметрам выходить за недопустимые пределы.
А теперь немного о свойствах этих аккумуляторов. Чтобы обеспечить продолжительный срок службы, заряжание литий-ионной батареи необходимо производить только по многоступенчатой методике. Она предполагает выполнение таких этапов, как:
- Измерение напряжения на батарее после подключения зарядного устройства. Если оно находится в пределах 2,5 В, то производится зарядка малым током, пока упомянутый показатель не достигнет 2,8 В.
- Увеличение зарядного тока до 0,5 С или 1 С. Это значение сохраняется, пока напряжение на батарее не достигнет значения 4,1–4,2 В.
- Установка стабильного напряжения, находящегося в пределах от 4,15 до 4,25 В. При этом зарядка продолжает производиться с применением небольшого тока.
Процесс заряжания заканчивается, когда значение тока падает до 0,05 С. Это значит, что батарея полностью заряжена.
Все эти режимы соблюдаются контроллерами, которые программируются со значениями, определёнными в процессе разработки. Об этих устройствах я намерен рассказать в следующей статье. Там я подготовлю пример построения многофункционального устройства с использованием доступных компонентов.
Применение литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов
Эксплуатационные характеристики и конфигурация литий-ионных аккумуляторов дают возможность их использования в:
- Портативных устройствах. Речь идёт о мобильных телефонах, смартфонах, ноутбуках, планшетах, цифровых фотоаппаратах и видеокамерах.
- Электромобилях. Допустимо включение в состав гибридных транспортных средств, электрических мотоциклов, скутеров, электрифицированных велосипедов, усовершенствованных инвалидных колясок.
- Электроинструментах. Речь идёт об аккумуляторных дрелях, шлифовальных станках, пилах, различном садовом оборудовании.
Также они применяются в качестве источника резервного питания в телекоммуникационной сфере. Кстати, из нескольких идентичных элементов, каждый из которых имеет свою плату-контроллер можно легко составить батарею требуемого напряжения и максимального тока. Для этого элементы подключаются последовательно-параллельно, как показано на рисунке.
Если так подключать элементы, то удаётся максимально обезопасить выход из строя всей батареи из-за межэлементных токов, когда они папраллелятся. Потому что в стандартных схемах, состоящих из батареи с несколькими элементами, параллельно соединённые банки закорочены между собой. Такое положение пагубно влияет на всю систему, причём устранить это крайне сложно. Приходится:
1. пренебрегать этим, что приводит к быстрейшему разрушению всех абсолютно элементов.
2. использовать несколько плат, по числу линий элементов в цепи.
А вот применение литий-ионных и литий-полимерных батарей, элементы которых имеют в своём составе отдельные контроллеры, позволит уйти от вышеперечисленных проблем. Теперь каждый «элементик» имеет свой личный заводской «контроллерик», который строго рассчитан на параметры с полным учётом того химического состава, который именно в них применён.
Теперь все эти уже готовые элементы можно смело параллелить, если сходны по напряжению. Также можно параллельно соединённые узлы включать последовательно, если оные одинаковой ёмкости. Это позволит создать мощную батарею, на киловаты, даже из крошечных элементов.