Зарядка литиевых автомобильных аккумуляторов

Зарядка литиевых аккумуляторов схема

Не верите, так попробуйте, а мы поможем.

Зарядка литиевых аккумуляторов своими руками схема на LM317

Процесс заряда показан на графике. В первоночальный момент зарядный ток постоянен, при достижении уровня напряжения Umax на аккумуляторе, ЗУ переходит в режим, когда напряжение будет постоянным, а ток асимптотически стремится к нулю.


Зарядка литиевых аккумуляторов график процесса

Выходное напряжение литиевых аккумуляторов, обычно, составляет 4,2В, а номинальное напряжение составляет порядка 3,7В. Не рекомендуется заряжать эти батареи до полных 4,2В, так как это снижает их срок службы. Если снизить выходное напряжение до 4,1В, емкость упадет почти на 10%, но в тоже время количество циклов заряд-разряд возрастет почти в два раза. При эксплуатации этих батарей, крайне нежелательно доводить номинальное напряжение ниже уровня 3,4…3,3В.

Как видим схема достаточно простая. Построена на стабилизаторах LM317 и TL431. Еще из радиокомпонентов присутствуют пару диодов, сопротивлений и конденсаторов. Устройство почти не требует регулировки, достаточно подстроечным сопротивлением R8 задаем напряжение на выходе устройства на номинале 4,2 вольта без подключенного аккумулятора. Сопротивлениями R4 и R6 устанавливаем зарядной ток. Для индикации работы конструкции предназначен светодиод «заряд», который при подключенной пустой батареи горит, а по мере зарядки он тухнет.

Приступаем к сборке конструкции для зарядки литиевых аккумуляторов. Находим подходящий корпус в нем можно разместить простой трансформаторный блок питания на пять вольт, и выше рассмотренную схему.

Для подключения заряжаемой батареи вырезал две латунные полоски и установил их на гнезда. Гайкой настраивается расстояние между контактами, которые подключаются к заряжаемой батареи.

Сделал, что-то вроде прищепки. Можно также установить переключатель, для смены полярности на гнездах зарядного устройства — в некоторых случаях это может сильно выручить. Печатную плату предлагаю изготовить по методу ЛУТ, рисунок в формате Sprint Layout забираем по ссылке выше.

При огромной массе положительных характеристик имеется у литиевых батарей и существенные недостатки, такие как высокая чувствительность к превышению напряжения заряда, что может повлечь за собой нагрев и интенсивное газообразование. А так как батарея имеет герметичную конструкцию, избыточное выделение газа привидеть к вздутию или взрыву. Кроме того литиевые батареи терпеть не могут перезаряд.

Благодаря использованию специализированных микросхем в фирменных зарядках, которые контролируют напряжение, такая проблема многим пользователям не знакома, но это не значит, что ее не существует. Поэтому для зарядки литиевых аккумуляторов нам нужно именно такое устройство, а схема рассмотренная выше является лишь его прототипом.

Устройство позволяет заряжать литиевые батареи с напряжением 3,6В или 3,7В. На первом этапе заряд осуществляется стабильным током 245мА или 490мА (устанавливается вручную), при увеличении напряжения на батареи до уровня 4,1В или 4,2В заряд продолжается при поддержании стабильного напряжения и уменьшающемся значении зарядного тока, как только последний упадет до порогового значения (задается вручную от 20мА до 350мА) заряд батареи автоматически прекращается.

Стабилизатор LM317 поддерживает напряжение на сопротивлении R9 на уровне около 1,25В тем самым поддерживая стабильное значение тока идущего через него, а значит и через заряжаемый аккумулятор. Выходное напряжение ограничивается стабилизатором TL431, подключенного к управляющему входу LM317. Значение напряжения ограничения выбирается с помощью делителя на сопротивлениях R12…R14. Сопротивление R11 ограничивает ток питания TL431.

На операционном усилителе DA2.2 LM358, сопротивлениях R5…R8 и биполярном транзисторе VT2 построен преобразователь ток-напряжение. Напряжение на его выходе пропорционально току, протекающему через сопротивление R9 и вычисляется по формуле:

С R5 напряжение следует на неинвертирующий вход ОУ DA2.1. На инвертирующий вход компаратора поступает напряжение с регулируемого делителя на сопротивлениях R2…R4. Напряжение питания делителя стабилизируется LM78L05. Порог переключения компаратора устанавливается номиналом переменного сопротивления R3.

Зарядка литиевых аккумуляторов настройка схемы.

Вместо тумблера SB1 поставить перемычку и подав напряжение на схему, подбором сопротивлений R12…R14 сделать выходное напряжение 4,1В и 4,2В для разомкнутого и замкнутого состояния тумблера SA2.

Тумблером SA1 устанавливаем значение тока заряда (245мА или 490мА) . Тумблером SA2 выбираем максимальное значение напряжения, для аккумуляторов на 3,6В выбираем 4,1В, на 3,7В — 4,2В. Движком переменного сопротивления R3 задаем значение тока, при котором должен завершиться заряд батареи (ориентировочно 0,07…0,1С), подсоединяем аккумулятор и нажимаем тумблер SB1. Должен стартовать процесс заряда литиевой батареи и загорается индикатор на светодиоде VD2. При уменьшении тока заряда ниже порогового высокий уровень на выходе DA2.1 поменяется на низкий, полевой транзистор VT1 закрывается и катушка реле K1 отключается, разрывая своим фронтовым контактом K1 батарею от зарядного устройства.

Привожу рисунок печатной платы зарядного устройство и рекомендую ее изготовить своими руками по технологии ЛУТ

Для возможности заряда литиевых аккумуляторов от мобильных телефонов и смартфонов был сделан универсальный адаптер:

Правила эксплуатации литиевых батарей

Все аккумуляторы этого типа необходимо эксплуатировать в соответствии с определенными рекомендациями. Эти правила можно условно поделить на две группы: Не зависящие и зависящие от пользователя.

В первую группу попадают основополагающие правила заряда и разряда аккумуляторных батарей, которые контролируются специальным контроллером зарядного устройства:

Ко второй группе зависящих от пользователя входят следующие правила:

Подборка оригинальных зарядок для телефонов состоящая только из простых и интересных радиолюбительских идей и разработок


Эта радиолюбительская конструкция предназначено для зарядки литиевых аккумуляторов от мобильных телефонов и типа 18650, а самое главное обеспечивает правильную зарядку аккумулятора. Устройство обладает светодиодным индикатором заряда. Красный цвет говорит о том, что батарея заряжается, зеленый — аккумулятор полностью заряжен. Умная зарядка получается благодоря применению специализированного контролера заряда на микросхеме BQ2057CSN.

В современных литиевых аккумуляторах чистый литий не используют. Поэтому получили распространены три основных разновидности литиевых аккумуляторов: Литий-ионные (Li-ion) Uном. — 3,6V; Литий-полимерные (Li-Po, Li-polymer или «липо»). Uном. — 3,7V; Литий-железо фосфатные (Li-Fe или LFP). Uном — 3,3V.

Это простое компактное Li-Ion зарядное устройство с током заряда около 0,1 ампер подойдет почти ко всем литиевым аккумуляторам ёмкостью около 1000 мА/ч.

Довольно простую схему зарядного устройства автоматического типа можно достаточно быстро собрать на микросхеме LM317, которая представляет из себя типовой линейный стабилизатор напряжения с регулируемым выходным напряжением. Микросборка может также работать в роли стабилизатора тока.

Основа радиолюбительской самоделки контроллер заряда типа MAX1551 или MAX1555. Микросхема предназначена для заряда одной ячейки на 3.7 Вольта литий-ионных батарей от USB гнезда персонального компьютера

Простой и надежный зарядник литий-ионных или полимерных батарей изготавливается на основе микросборки MCP73831 фирмы Microchip . Микросхема обеспечивает регулируемый зарядный ток в диапазоне от 15 мА до 500 мА для одной ячейки li-po аккумулятора. Для работы ЗУ необходимо постоянное напряжение в интервале от 5 до 6В. Его даже можно позаимствовать из USB-порта персонального компьютера.

Эксплуатация, зарядка, плюсы и минусы литиевых аккумуляторов

Очень многие сегодня используют электронные устройства в своей повседневной жизни. Сотовые телефоны, планшеты, ноутбуки… Все знают, что это такое. Но немногие знают, что ключевым элементом этих устройств является литиевый аккумулятор. Этим типом аккумуляторных батарей комплектуется практически каждое мобильное устройство. Сегодня мы поговорим о литиевых аккумуляторах. Эти АКБ и технология их производства постоянно развиваются. Существенное обновление технологии происходит раз в 1─2 года. Мы рассмотрим общий принцип работы литиевых батарей, а разновидностям будут посвящены отдельные материалы. Ниже будет рассмотрена история возникновения, эксплуатация, хранение, преимущества и недостатки литиевых аккумуляторов.

История возникновения, развитие и особенности

Исследования в этом направлении проводились ещё в начале 20 века. «Первые ласточки» в семействе литиевых аккумуляторов появились в начале семидесятых годов прошлого столетия. Анод этих батарей был выполнен из лития. Они быстро стали востребованы благодаря тому, что обладали высокой удельной энергией. Благодаря наличию лития, очень активного восстановителя, разработчикам удалось сильно нарастить номинальное напряжение и удельную энергию элемента. Разработка, последующие испытания и доводки технологии «до ума» заняли около двух десятков лет.

Материалы для плюсового электрода разработали достаточно быстро. Основное требование к ним было в том, чтобы на них проходило обратимые процессы.

Речь идёт об анодной экстракции и катодном внедрении. Эти процессы ещё называют анодным деинтеркалированием и катодным интеркалированием. Исследователи испытывали различные материалы в качестве катода.

Требование было в том, чтобы отсутствовали изменения при циклировании. В частности, изучались такие материалы, как:

  • TiS2 (дисульфид титана);
  • Nb(Se)n (селенид ниобия);
  • сульфиды и диселениды ванадия;
  • сульфиды меди и железа.

Все перечисленные материалы имеют слоистую структуру. Проводились исследования и с материалами более сложных составов. Для этого использовались добавки некоторых металлов в небольших количествах. Это были элементы имеющее катионы большего радиуса, чем у Li.

Высокие удельные характеристики катода были получены на оксидах металлов. Пробовались разные оксиды на предмет обратимой работы, которая зависит от степени искажения кристаллической решётки материала оксида, когда туда внедряются катионы лития. В расчёт принималась и электронная проводимость катода. Задача заключалась в том, чтобы обеспечить изменения объёма катода не более 20 процентов. Согласно исследованиям, наилучшие результаты показали оксиды ванадия и молибдена.

Разные виды литиевых батарей

Получается так, что эта плёнка обволакивает частицы лития и препятствует их контакту с основой. Этот процесс называется инкапсулированием и приводит к тому, что после зарядки аккумулятора определённая часть лития исключается из электрохимических процессов.

В итоге после определённого количества циклов, электроды изнашивались и нарушалась температурная стабильность процессов внутри литиевого аккумулятора.

В какой-то момент элемента разогревался до точки плавления Li и реакция переходила в неконтролируемую фазу. Так, в начале 90-х годов на предприятия компаний, занимавшихся их выпуском, возвратили много литиевых АКБ. Это были одни из первых аккумуляторов, которые стали применяться в мобильных телефонах. В момент разговора (ток достигает максимального значения) по телефону из этих батарей происходил выброс пламени. Было немало случаев, когда пользователю обжигало лицо. Образование дендритов при осаждении лития, помимо опасности пожара и взрыва, может приводить к короткому замыканию.

Поэтому исследователи потратили много времени и сил на разработку методом обработки поверхности катода. Разрабатывались способы введения в электролит добавок, препятствующих образованию дендритов. В этом направлении учёные достигли успехов, но полностью проблема не решена до сих пор. Эти проблемы с использованием металлического лития пытались решить и другим методом.

Так, отрицательный электрод стали изготавливать из литиевых сплавов, а не из чистого Li. Самым успешным оказался сплав лития и алюминия. Когда идёт процесс разряда, то в электроде из такого сплава вытравливается литий, а при заряде, наоборот. То есть, в процессе цикла заряд-разряд изменяется концентрация Li в сплаве. Конечно, произошла некоторая потеря активности лития в сплаве по сравнению с металлическим Li.

Потенциал электрода из сплава снизился где-то на 0,2─0,4 вольта. Рабочее напряжение литиевой батареи снизилось и одновременно уменьшилось взаимодействие электролита и сплава. Это стало положительным фактором, поскольку уменьшился саморазряд. Но сплав лития и алюминия не получил широкого распространения. Проблема здесь заключалась в том, что при циклировании сильно изменялся удельный объем этого сплава. Когда происходил глубокий разряд, то электрод охрупчивался и осыпался. Из-за снижения удельных характеристик сплава исследования в этом направлении были прекращены. Изучались и другие сплавы.

В результате из-за того, что металлический литий нестабилен, исследования стали вести в другом направлении. Было решено исключить из компонентов батареи литий в чистом виде, а использовать его ионы. Так появились литий─ионные (Li-Ion) аккумуляторы.

Энергетическая плотность литий─ионных АКБ меньше, чем у литиевых. Но безопасность и удобство эксплуатации у них значительно выше. Можете прочитать подробнее про литий-ионный аккумулятор по указанной ссылке.

Эксплуатация и срок службы

Эксплуатация

Правила эксплуатации будут рассмотрены на примере распространённых литиевых аккумуляторов, которые применяются в мобильных устройствах (телефонах, планшетах, ноутбуках). В большинстве случаев от «дурака» такие аккумуляторы защищает встроенный контроллер. Но пользователю полезно знать базовые вещи об устройстве, параметрах и эксплуатации литиевых АКБ.

Устройство литиевого аккумулятора

Чтобы продлить срок службы литиевых аккумуляторов производители несколько сужают диапазон напряжения. Часто это 3,3─4,1 вольта. Как показывает практика, максимальный срок службы литиевых батарей достигается при уровне заряда 45 процентов. Если аккумулятор передерживать на зарядке или сильно разряжать, то срок эксплуатации сокращается. Обычно рекомендуется ставить литиевый аккумулятор заряжаться при 15─20% заряда. А прекращать зарядку надо сразу после достижения 100% ёмкости.

Но, как уже говорилось, от перезарядки и глубокого разряда аккумулятор спасает его контроллер. Эта управляющая плата с микросхемой имеется практически на всех литиевых аккумуляторных батареях. В различной потребительской электронике (планшет, смартфон, ноутбук) работу контроллера, интегрированного в АКБ, ещё дополняет микросхема, которая распаяна на плате самого устройства.

В общем, правильная эксплуатация литиевых аккумуляторов обеспечивается их контроллером. От пользователя в основном требуется не встревать в этот процесс и не заниматься самодеятельностью.

Срок службы

Срок службы литиевых аккумуляторных батарей составляет около 500 циклов заряд-разряд. Это значение справедливо для большинства современных литий─ионных и литий─полимерных аккумуляторов. По времени срок службы может быть разный. Это зависит от интенсивности использования мобильного устройства. При постоянном использовании, нагрузкой ресурсоёмкими приложениями (видео, игры) аккумулятор может исчерпать свой лимит за год. Но в среднем срок службы литиевых аккумуляторов составляет 3─4 года.
Вернуться к содержанию

Процесс зарядки

Сразу стоит отметить, что для нормальной эксплуатации батареи, нужно использовать штатное зарядное устройство, которое поставляется в комплекте с гаджетом. В большинстве случаев это источник постоянного тока с напряжением 5 вольт. Штатные зарядки для телефона или планшета обычно отдают ток около 0,5─1 * С (С – номинальная ёмкость батареи).
Стандартным режимом зарядки литиевого аккумулятора считается следующий. Этот режим используется в контроллерах компании Sony и обеспечивает максимальную полноту зарядки. На рисунке ниже этот процесс представлен в графическом виде.

Этапы зарядки литиевого аккумулятора

  • продолжительность первого этапа около одного часа. При этом ток зарядки держится на постоянном уровне до тех пор, пока напряжение АКБ не достигнет значения 4,2 вольта. По окончании степень заряженности равна 70%;
  • второй этап также идёт около часа. В это время контроллер поддерживает постоянное напряжение 4,2 вольта, а ток зарядки при этом снижается. Когда сила тока падает примерно до 0,2*C, запускается заключительный этап. По окончании степень заряженности равна 90%;
  • на третьем этапе ток постоянно снижается при напряжении 4,2 вольта. В принципе, эта стадия повторяет второй этап, но имеет строгое ограничение по времени в 1 час. После этого контроллер отключает батарею от зарядного устройства. По окончании степень заряженности равна 100%.

Контроллеры, которые способны обеспечить такую стадийность, стоят довольно дорого. Это отражается на стоимости аккумулятора. В целях удешевления многие производители устанавливают в аккумуляторы контроллеры с упрощённой системой заряда. Часто это бывает только первый этап. Зарядка прерывается при достижении напряжения 4,2 вольта. Но в этом случае литиевая батарея заряжается лишь на 70% от ёмкости. Если литиевый аккумулятор вашего устройства заряжается 3 часа и меньше, то, скорее всего, он имеет упрощённый контроллер.

Стоит отметить ещё ряд моментов. Периодически (раз в 2─3 месяца) делайте полный разряд АКБ (чтобы телефон отключился). Затем проводится полная зарядка до 100%. После этого вынимаете батарею на 1─2 минуты, вставляете и включаете телефон. Уровень заряда будет меньше 100%. Заряжаете полностью и так делаете несколько раз, пока при вставке батареи не будет показан полный заряд.

Также помните о том, что на холоде и при низком атмосферном давлении литиевые аккумуляторы теряют часть своей ёмкости. При отрицательных температурах этот тип батарей становится неработоспособным.

Постоянная деградация литиевого аккумулятора – это одна из проблем этого типа АКБ. Деградация стартует в момент выхода АКБ с конвейера и выражается в постепенной потере ёмкости. Это потеря составляет около 10% в год и добавляется к стандартной потере ёмкости в результате эксплуатации. Помните, что даже если литиевая батарея не используется, процесс старения в ней всё равно идёт.

Скорость деградации при хранении зависит от степени заряженности аккумулятора и температуре ОС. Температура выше 40─50 градусов противопоказана, поскольку приводит к ускоренной деградации батареи. Наилучшей температурой является 0─10С. Но такой режим в домашних условиях обеспечить сложно. Поэтому часто рекомендуют хранить литиевые аккумуляторы при комнатной температуре и степени зарядки 30─50%. Нужно следить за тем, чтобы на него не попадали прямые солнечные лучи и рядом не было источников тепла. Раз в полгода аккумулятор следует подзаряжать.

Безопасность

В виду очень высокой активности лития не рекомендуется разбирать аккумуляторы без соответствующих навыков. Если все же собираетесь этим заняться, то руки защищайте перчатками, а глаза защитными очками. Помните, что при малейшем замыкании электродов литиевый аккумулятор воспламеняется. Не вздумайте тушить его водой. При взаимодействии с литием пойдет бурная химическая реакция и даже взрыв.

По соображениям безопасности с 1 апреля 2016 года был введен запрет ICAO на перевозку сочли в самолетах АКБ литий─ионного типа. Запрет будет действовать до тех пор, пока для них не будет создана огнестойкая упаковка. Запрет на перевозку касается только аккумуляторов, которые перевозятся самолётом в качестве груза. Запрет не действует в отношении литиевых батарей, вставленных в телефон, ноутбук, фотоаппарат и т. п.

ICAO ─ это международная организация гражданской авиации. Раньше эта же организация ввела запрет на батарейки с электродами из металлического лития, используемыми во многих часах. Запрет обязателен для исполнения во всех странах, которые входят в ICAO. В том числе, и для России.
Вернуться к содержанию

Утилизация

Эти аккумуляторные батареи имеют тяжёлые металлы и другие элементы, которые опасны для здоровья человека и животных, а также окружающей среды.

Поэтому литиевые АКБ обязательно нужно утилизировать и просто так их выкидывать нельзя. Отходы, которые содержатся в литиевых аккумуляторах можно отнести ко второму классу опасности. Кроме того, из-за наличия в своём составе активного лития, эти батареи не раз становились причиной пожара на свалках и пунктах складирования мусора.

В общем виде процесс утилизации аккумуляторов включает в себя два основных этапа:

  • Извлечение и нейтрализация электролита;
  • Сортировка твёрдых веществ (металл, пластик) и их измельчение.

Чтобы иметь представление, можете прочитать про утилизацию автомобильных аккумуляторов. В России рынок переработки отходов в целом и утилизация литиевых аккумуляторов постепенно развивается. Сдавать свои литиевые батарейки можно в пунктах приёма таких отходов или своём управлении ЖКХ.
Вернуться к содержанию

Импульсное зарядное устройство для литиевых аккумуляторов

Простое зарядное устройство для двух литиевых аккумуляторов пришлось собрать из-за того, что радиостанции, поставляемые в Россию имеют сейчас литиевые аккумуляторы, и найти никель-кадмиевые или метал-гидридные аккумуляторы становится всё проблематичнее. Старые зарядные устройства для зарядки литиевых АКБ не подходят. ЗУ на основе микропроцессоров собрать не всегда возможно из-за их отсутствия и стоимости.

Предлагаю схему ЗУ для зарядки двух литиево-ионных батарей для радиостанции Optim WT-555 и ей подобных.

Работа устройства довольна проста. В основе её лежит принцип заряда постоянным током и напряжением. Сетевое напряжение поступает на понижающий трансформатор Тr1, с выходным напряжением 12 вольт и максимальным током 0,5 ампера. Выпрямленное напряжение поступает на вход микросхемы DA1. На ней собран ограничитель максимального тока. При данных параметрах резистора R5, ток ограничения будет примерно 200 мА. Далее напряжение поступает на вход регулируемого импульсного стабилизатора напряжения DD1. Задача этого стабилизатора – обеспечить стабильное выходное напряжение 8,4 вольта. Собранная схема обеспечивает заряд двух литиевых аккумуляторов максимальным током 200 мА и напряжением 8,4 вольта. Время заряда будет зависеть от ёмкости АКБ. На транзисторе VT1 собран простейший индикатор заряда. При полном заряде АКБ – светодиод гаснет.

Настройка устройства сводится к установке резистором R6 напряжения холостого хода 8,4 вольта, и изменением R3,R4 — добиваются чёткого срабатывания индикатора при отсутствии тока заряда.

Данное устройство можно использовать для любого количества батарей различных емкостей. При этом надо исходить из паспортных данных АКБ. При этом выходное напряжение изменяется резистором R6. Рассчитать его можно по формуле:
R6= R7(Vout/1,23 – 1). Нужно выбирать R7 в пределах от 1кОм до 5 кОм. Максимальный ток ограничения рассчитывается софтом для LM 317. Этих программ сейчас достаточно в Интернете. При токах заряда более 0,5А – необходимо обеспечить хороший теплоотвод для DA1.

Резистор R6 необходимо применять многооборотный. В данном случае применён резистор типа PVG5A. Индуктивность L1 наматывается на ферритовом кольце М50ВН К16х8х6 и содержит 48 витков провода ПЭВ-0,5. Перед намоткой провода края кольца необходимо закруглить, а намотанное изделие лучше залить эпоксидной смолой.