Особенности зарядки литиевых аккумуляторов и зарядные устройства для них

Современный человек пользуется множеством электронных гаджетов. Это ноутбук, мобильный телефон, планшет, фотоаппарат и многие другие. Большинство этих устройств работают от литиевых аккумуляторов. Ведь мы ценим их именно за то, что это мобильные устройства. Однако за портативность приходится расплачиваться тем, что нужно постоянно заряжать аккумуляторы. Для этого вам потребуется зарядное устройство для литиевых аккумуляторов. В большинстве случаев зарядные устройства поставляются в комплекте с самим устройством. Этот тот же адаптер питания ноутбука или телефона. В идеале, конечно, для зарядки должно использоваться именно штатная зарядка. Но что делать, если она потеряна или вышла из строя. Нужно подобрать подходящее зарядное устройство. Что при этом учесть, обсудим в этой статье.

В общем случае зарядное устройство для должно иметь на выходе напряжение 5 вольт и ток, величина которого соответствует (0,5─1)*Сн. Сн – это номинальная ёмкость аккумулятора. К примеру, для литиевого элемента ёмкостью 2200 мАч, зарядка должна выдавать ток от 1,1 ампера.

Большинство зарядных устройств солидных производителей проводят зарядку Li аккумуляторов в несколько стадий. Первый этап идёт при постоянной величине тока 0,2─1 С и напряжении 4,1─4,2 В (здесь имеется в виду напряжение на 1 элемент или банку). Эта стадия продолжается примерно 40─50 минут. Второй этап проводится при постоянном напряжении. Есть устройства, которые для ускорения процесса зарядки, используют импульсный режим. Для литий─ионных систем с графитовой системой необходимо ограничивать напряжения значением 4,1 вольта на один элемент.

Если использовать напряжение выше 4,1 вольта, то можно увеличить энергетическую плотность аккумулятора. Но при этом начинаются окислительные реакции, которые сокращают срок службы батареи. В более поздних моделях эта проблема была устранена добавками. И на них напряжение в процессе зарядки можно увеличивать до 4,2 вольта с отклонением 0,05 на один элемент.

Если говорить о литиевых аккумуляторах промышленного назначения и для военной сферы, то для них зарядные устройства поддерживают напряжение 3,9 вольта. Это обеспечивает длительный срок службы и надёжность.

Если зарядное устройство выдаёт ток 1С, то аккумулятор зарядится примерно за 2─3 часа. При достижении полного заряда и напряжение достигает величины отсечки, ток резко уменьшается и составляет несколько процентов от первоначального значения.

Стоит сказать, что при увеличении зарядного тока время зарядки практически не уменьшается. При более высоком токе быстрее растёт напряжение на первой стадии процесса, но второй этап подзарядки в этом случае идёт дольше.

Существуют зарядные устройства способные зарядить литиевую батарею примерно за час. Такое зарядное для литиевых аккумуляторов не имеет второго этапа и АКБ готова к работе уже после завершения первой стадии. Уровень заряда аккумуляторного элемента при этом будет составлять 70 процентов. Но, в силу природы батарей литиевого типа, для них это не критично.

На графике выше можно видеть три этапа зарядки Li аккумулятора:

• Первый. Через батарею протекает максимально возможный (1С) ток заряда. Эта стадия заканчивается при увеличении напряжения до порогового значения;
• Второй. Напряжение остаётся максимальным (4,1─4,2 вольта), а зарядный ток уменьшается до 3 процентов от первоначальной величины;
• Третий. Компенсирующий заряд при его хранении (проводится примерно раз в 20 дней).

На этапе хранения для литиевых аккумуляторов струйная зарядка невозможна из-за того, что это приводит к металлизации Li. Но кратковременные подзарядки постоянным током компенсируют потери заряда. Такая зарядка должна выполняться, когда напряжения элемента падает до 4,05 вольта. Процесс зарядки прекращается при 4,2 вольта.

И ещё один важный момент. Литиевые аккумуляторные элементы очень чувствительны к перезаряду. Даже при небольшой перезарядке на поверхности минусового электрода начинается металлизация лития. Он очень активен и взаимодействует с электролитом. В результате реакции на катоде происходит выделение кислорода, повышается давление. В результате может произойти разгерметизация элемента, воспламенение и даже небольшой взрыв.

Кроме того, если при заряде постоянно превышать предел по напряжению, срок службы литиевых батарей снижается. Поэтому в большинстве литиевых аккумуляторов помимо самих элементов присутствует плата защиты.

Плата контролирует процесс заряда и разряда элементов по нижнему и верхнему пределу напряжения. Часто используются температурные датчики отключающие элементы при 90 градусов по Цельсию. В некоторых видах батарей имеется механический клапан, открывающийся при увеличении давления внутри корпуса выше определённого предела.

Есть исключения. К примеру, аккумуляторы с наличием марганца в их составе не имеют такой защиты. Марганец сильно тормозит металлизацию на аноде и образование кислорода. Поэтому в такой защите нет необходимости.

Всё это нужно иметь в виду при выборе зарядного устройства. Если вы будете заряжать литиевую банку напрямую без контроллера, напряжение должно контролироваться постоянно. Но гораздо лучше использовать устройства с автоматическим контролем или заряжать батарею через плату защиты.

Зарядные устройства для различных гаджетов

Зарядки для аккумуляторов смартфонов

Если вы лишились штатного зарядного устройства от своего телефона, вам поможет «лягушка». Это одно из наиболее распространённых устройств. Название зарядка получила за характерную форму.

Пользоваться ей проще простого. У зарядки есть 2 регулируемых по ширине контакта: плюс и минус. Вам нужно установить их в положение, подходящее для заряжаемого аккумулятора. Затем вставляется аккумулятор, чтобы был контакт с его выводами, и фиксируется верхней прижимной планкой. Естественно, что при установке нужно соблюдать полярность. Затем устройство вставляется в разъём 220 вольт и заряжается, пока индикатор не покажет окончание процесса.

Современные электронные устройства (типа сотовых телефонов, портативных компьютеров или планшетов) питаются от литий-ионных аккумуляторов, которые пришли на смену щелочным аналогам. Никель-кадмиевые и никель-металлгидридные акб уступили место Li─Ion батареям за счет лучших технических и потребительских качеств последних. Имеющийся от момента производства заряд в таких батареях составляет от четырех до шести процентов, после чего начинает снижаться по мере использования. В течение первых 12 месяцев емкость аккумуляторов снижается от 10 до 20 %.

Оригинальные зарядные устройства

Зарядные агрегаты для ion аккумулятора весьма похожи на аналогичные устройства для свинцово-кислотных, однако у них на элементах питания, названных за внешнюю схожесть «банками», напряжение выше, поэтому существуют более строгие требования к допуску (например, допустимое расхождение в напряжении всего 0,05 в). Чаще всего встречается формат банки ионных аккумуляторов 18650, это значит, что у нее диаметр – 1,8 см, а высота –6,5 см.

На заметку. Стандартная литий-ионная батарея требует для зарядки до трех часов, а более точно время определяется изначальной ее емкостью.

Производители Li-ion аккумуляторов рекомендуют для зарядки использовать только оригинальные зарядные устройства, которые гарантированно дадут нужное напряжение для батареи и не погубят часть ее емкости перезарядкой элемента и нарушением химической системы, также нежелательна полная зарядка батареи.

Обратите внимание! При длительном хранении литиевые аккумуляторы должны оптимально иметь маленький (не более 50%) заряд, также необходимо вытащить их из агрегатов.

Если у литиевых аккумуляторах имеется плата защиты, то перезарядка им не грозит.

Встроенная плата защиты отсекает чрезмерное напряжение (более 3,7 вольт на банку) во время зарядки и отключает аккумулятор, если уровень заряда упал до минимального, обычно до 2,4 вольт. Контроллер заряда определяют момент, когда напряжение на банке достигает 3,7 вольт, и отключает зарядное устройство от аккумулятора. Также это необходимое устройство контролирует температуру батареи, чтобы исключить перегрев и перегрузку по току. Защита компонуется на базе микросхемы ДВ01-П. После того, как цепь прерывается контроллером, ее восстановление осуществляется автоматически при нормализации параметров.

На микросхеме красный индикатор означает заряд, а зеленый или голубой сигнализирует о том, что акб заряжена.

Как правильно заряжать литиевые аккумуляторы

Известные производители li-ion аккумуляторов (например, такие, как «Сони») применяют в своих зарядниках двух или трех этапный принцип зарядки, что позволяет значительно продлить срок службы батарей.

На выходе зарядник имеет напряжение в пять вольт, а величина тока колеблется от 0,5 до 1,0 номинальной емкости акб (например, для элемента, имеющего емкость 2200 миллиампер-час, ток зарядного устройства должен быть от 1,1 ампер.)

В начальный этап, после подключения зарядки для литиевых аккумуляторов, величина тока составляет от 0,2 до 1,0 номинальной емкости, при этом напряжение 4,1 вольт (на одну банку). В таких условиях батареи заряжаются от 40 до 50 минут.

Для достижения постоянства тока схема зарядного устройства должна быть в состоянии поднять напряжение на клеммах батареи, в это время зарядник для большинства литий ионных аккумуляторов работает в качестве обычного стабилизатора напряжения электротока.

Важно! Если необходима зарядка литий-ионных батарей, у которых имеется встроенная плата защиты, то напряжение холостого хода не должно быть больше шести-семи вольт, иначе она испортится.

В то время, как напряжение достигнет 4,2 вольт, емкость аккумулятора составит от 70 до 80 процентов емкости, что будет сигналом об окончании начального этапа зарядки.

Следующий этап осуществляется при наличии постоянного напряжения.

Дополнительная информация. В некоторых агрегатах для более быстрой зарядки применяется импульсный метод. Если в литий-ионном аккумуляторе имеется графитовая система, то для них необходимо соблюдать ограничение напряжения в 4,1 вольта на одну банку. При превышении этого параметра энергетическая плотность акб возрастет и запустит окислительные реакции, сокращающие срок эксплуатации аккумулятора. В современных моделях батарей применяют специальные добавки, которые позволяют повышать напряжение при подключении зарядного устройства для li ion аккумуляторов до 4,2 вольт плюс/минус 0,05 вольт.

В простых литиевых батареях зарядные устройства держат уровень напряжения в 3,9 вольт, что для них является надежной гарантией долгой службы.

При выдаче тока в 1 величину емкости акб время получения оптимально заряженного аккумулятора составит от 2 до 3 часов. Как только заряд станет полным, напряжение достигнет нормы отсечки, величина тока стремительно падает и остается на уровне пары процентов от начального значения.

Если зарядный ток искусственно увеличивать, что время использования зарядного устройства для питания литий ионных аккумуляторов почти не уменьшится. В таком случае первоначально быстрее растет напряжение, но в то же время увеличивается длительность второго этапа.

Некоторые зарядные устройства могут полностью зарядить акб за 60-70 минут, в процессе такой зарядки исключен второй этап, и аккумулятор можно использовать уже после начальной стадии (уровень зарядки также будет на уровне 70 процентов емкости).

На третьем завершающем этапе зарядки проводится компенсирующий заряд. Он осуществляется не каждый раз, а всего один раз в 3 недели, при хранении (а не использовании) аккумуляторов. В условиях хранения батарей невозможно использовать струйную зарядку, потому что в таком случае происходит металлизация лития. Однако небольшие по времени подзарядки током постоянного напряжения помогают избежать потерь заряда. Прекращение зарядки заканчивается, как только напряжение достигнет 4,2 вольт.

Металлизация лития опасна выделением кислорода и резким нагнетением давления, что может привести к воспламенению и даже взрыву.

Зарядка для аккумулятора своими руками

Зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов стоит недорого, но при наличии небольших познаний в электронике можно изготовить ее самостоятельно. Если нет точной информации о происхождении элементов АКБ, и есть сомнения в точности работы измерительных приборов, следует выставить порог заряда в районе от 4,1 до 4,15 вольт. Это особенно актуально, если акб не имеет защитной платы.

Для сборки зарядки для литиевых аккумуляторов своими руками хватит одной упрощенной схемы, которых очень много в свободном доступе в Интернете.

Для индикатора можно использовать светодиод зарядного типа, который подсвечивает, когда зарядка аккумулятора значительно снижена, и гаснет при разрядке в «ноль».

Сборка зарядного устройства производится в следующем порядке:

• находится подходящий корпус;
• монтируется блок питания на пять вольт и другие детали схемы (строго следить за последовательностью!);
• вырезается пара латунных полосок и крепится на гнездные отверстия;
• с помощью гайки определяется расстояние между контактами и подключаемым аккумулятором;
• устанавливается переключатель для изменения полярности (опционально).

Если ставится задача собрать своими руками зарядку для аккумуляторов 18650, то потребуются более сложная схема и больше технических навыков.

Все литий-ионные аккумуляторы время от времени требуют подзарядки, однако, следует избегать слишком полной зарядки, а также полной разрядки. Поддержание работоспособности батарей и сохранение их рабочей емкости в течение длительного времени возможно с помощью специальных зарядных устройств. Зарядники желательно использовать оригинальные, но можно собрать их самостоятельно.

Видео

Практически у всех современных литий-ионных аккумуляторов отличная энергоёмкость, а также высокие малогабаритные показатели. Именно с их помощью можно питать устройства высокой мощности с наибольшей эффективностью. И совершенно не обязательно для этого покупать готовое зарядное устройство в магазине, ведь есть вариант более бюджетный, который особенно понравится радиолюбителям - собрать зарядное для литий-ионных аккумуляторов своими руками.

Меры предосторожности: перезаряд недопустим

Крайне важно перед началом сборки АКБ для батарей запомнить одну простую вещь - литиевые аккумуляторы строго запрещено перезаряжать. У них очень строгие требования к режиму зарядки и эксплуатации, поэтому их нельзя заряжать до напряжения больше 4,2 В. А ещё лучше руководствоваться информацией о безопасном пороге для каждой отдельно взятой банки. Кстати, там может быть указан даже меньший порог, который считается допустимым для этого экземпляра.

Ещё лучше, если вы собираетесь делать зарядку для литиевых аккумуляторов своими руками, несколько раз проверить используемые материалы и оборудование. Если у вас сомнения относительно точности показаний вашего вольтметра или происхождения банок, а также максимально допустимой мощности их заряда, лучше ставить порог ещё меньше. Оптимально будет в пределах 4.1–4.15 В. В этом случае заряжать АКБ, у которых нет встроенной платы защиты, будет безопасно для вас.

В противном случае велика вероятность сильного нагрева и вздутия банок, обильного выделения газа с резким неприятным запахом и даже их последующего взрыва. Проверьте все несколько раз перед тем, как приступать к сборке и зарядке.

Собираем зарядное устройство для литиевых аккумуляторов своими руками

Чтобы собрать зарядное устройство для литиевых аккумуляторов, достаточно будет одной упрощённой схемы. ЗУ, созданное по такой схеме, практически не нужно будет регулировать, а для работы вам понадобится:

• Задать Uвых=4.2 В без подключённой батареи (с помощью R8);
• Установить зарядный ток, используя R6 и R

В роли индикатора работы ЗУ отлично проявит себя светодиод типа «заряд». Он будет подсвечивать, если подключённый к нему аккумулятор разряжен , и погаснет, когда тот полностью зарядится.

Последовательность сбора зарядки литиевых аккумуляторов своими руками такова:

1. подбираете подходящий корпус;
2. крепите к нему блок питания (5 В) и элементы указанной схемы (обязательно в правильном порядке);
3. берете латунь и вырезаете из неё две полоски, крепите их на гнёзда;
4. используя гайку, устанавливаете расстояние между контактами и АКБ, которые собираетесь подключать;
5. крепите переключатель, если хотите впоследствии иметь возможность изменять полярность на гнёздах (если - нет, оставляете все как есть).

Как собрать зарядку для литий-ионных аккумуляторов своими руками?

Поскольку Li-Ion батареи чувствительны к резкому напряжению во время зарядки , в фирменных АКБ встроены специальные микросхемы. Они обеспечивают контроль напряжения и не позволяют превышать допустимые пределы. Поэтому для того чтобы собрать зарядку для литиевых аккумуляторов 18650 своими руками, нужна более сложная схема, чем та, о которой шла речь выше.

Такой вариант АКБ будет создать намного сложнее, чем предыдущий и в домашних условиях это возможно, только если есть определённые навыки и соответствующий опыт. В теории вы сможете получить зарядное устройство , которое по характеристикам ничем не будет уступать фирменным АКБ. Но на практике это далеко не всегда так.

Представляем небольшой сборник хороших схем зарядных устройств для Li-Ion аккумуляторов. Все схемы собраны с надёжных интернет ресурсов и имеют отличные отзывы. Вначале немного теории. Для заряда Li-ion аккумуляторов используется метод постоянное напряжение и постоянный ток, суть которого заключается в ограничении напряжения на аккумуляторе. Для Li-ion аккумуляторов номинальное напряжение элемента 3,6 В, допуск на это напряжение (±0,05 В) и отсутствие медленного подзаряда по окончании полного заряда. Обычное максимальное напряжение заряда 4,2 или 4,1 вольта в зависимости от модели аккумулятора; напряжение окончания разряда 3,0 вольта; рекомендуемый ток заряда 0,5 С, ток разряда (нагрузки) - 1 С и меньше; если напряжение на аккумуляторе менее 2,9 вольта, то рекомендуемый ток заряда 0,1 С; глубокий разряд может привести к повреждению аккумулятора (т. е. должно соблюдаться общее правило - Li-ion аккумуляторы любят скорее находиться в заряженном состоянии, чем в разряженном, и заряжать их можно в любое время, не дожидаясь разряда); по мере приближения напряжения на аккумуляторе к максимальному значению, ток заряда уменьшается. Окончание разряда должно происходить при уменьшении тока заряда до (0,1 … 0,07) С в зависимости от модели аккумулятора. После окончания заряда ток заряда прекращается полностью. Приведенные данные могут отличаться в ту или иную сторону для аккумуляторов других производителей. Теперь перейдём непосредственно к схемотехнике ЗУ. Первая схема на специализированной микросхеме, питающаяся от USB порта ПК.

1. Зарядное устройство для li-ion аккумуляторов

С порта USB мы можем снять 500 или 100 миллиампер чистого тока под собственные нужды. «Умные» контроллеры порта нужно настраивать, чтобы забрать 500 мА. Без настройки можно отобрать до 100 мА. В некоторых конструкциях материнских плат и ноутбуков ток ничем не ограничивается, кроме предохранителя. Поэтому можно отобрать все 500 мА без настроек. Микросхема не знает, к какому варианту порта ее подключили, поэтому ограничивает ток заряда аккумулятора значением 100мА, чтобы не заморачиваться с настройкой порта. Однако у нее есть еще один вход – к нему можно подключить любой источник питания с напряжением от 4,3 до 7 вольт, включая китайский “кубик”, который просто втыкается в розетку, после чего начинает греться. В этом случае, ток заряда будет составлять уже 350мА. Если подключить сразу два источника – и USB и источник питания, то микросхема выберет последнее, в смысле не последнее подключенное, а источник питания. Светодиод VD2 горит до тех пор, пока батарея не заряжена. Светодиод VD1 индицирует наличие питания от USB порта. Плата сделана таким образом, что все компоненты, включая SMD светодиоды, расположены внизу при подключении ее в USB порт. Чтобы было видно «на просвет» необходимо выбрать тонкий стеклотекстолит либо изменить посадочные места под выводные 3мм светодиоды и впаять их с обратной стороны. Для защиты USB порта используется SMD самовосстанавливающийся предохранитель F1 с током удержания 200 мА. Вместо него можно применить резистор 0603 1 Ом или перемычку- но в случае ошибки в монтаже или при выходе из строя микросхемы возможен выход из строя порта. Батарея после окончания свечения светодиода еще продолжает некоторое время дозаряжаться маленьким током, но это составляет до 5 % емкости. Если напряжение элемента меньше 3 вольт, то микросхема его подзаряжает током 40 мА.

2. Зарядное устройство для li-ion аккумуляторов

Для того, чтобы Li-ion аккумуляторы долго служили, необходимо их правильно заряжать. К концу завершения зарядки, напряжение должно уменьшаться, а когда аккумулятор зарядился, т.е. ток заряда станет почти нулевой, зарядка должна остановиться. Данная схема полностью удовлетворяет этим требованиям. Подключенный к нему аккумулятор заряжается током ~300ма, к концу заряда ток уменьшается до 30ма и дальше загорается светодиод VD2, который сигнализирует о завершении зарядки. Светодиод VD1 сигнализирует о работе устройства, VD3 загорается при подключении аккумулятора. В схеме используется операционный усилитель LM358N, его можно заменить на КР574УД2, только расположение выводов у него отличается. Светодиоды красного, зеленого и желтого цветов. Схема после сборки наладки не требует и начинает работать сразу.

3. Зарядное устройство для li-ion аккумуляторов

Зарядное устроиство состоит из таких узлов-собственно стабилизатора на LM317T и TL431,на резисторах R3-R7 собран ограничитель и датчик тока.Работает схема следущим образом -при подключении аккамулятора согласно полярности и устороиства в сеть нажимаем кнопку SB1, начинает протекать ток заряда. При протекании тока через резисторы R3-R7 на нем падает напряжение около 3V срабатывает реле К2 которое своими контактами включает реле К1. Реле К1 своими конактами блокирует кнопку SB1.Светлодиод HL2 индицирует включение в сеть, а HL1 что идет зарядка. Налаживание заключаеться в установке на выходе LM317 напряжение согласно с аккамулятором, с максимальной возможной точностю. Реле К1 с напряжением срабатывания 12V током через контакты не менее 2A,К2 РЕС64А паспорт РС4,569,724. LM317T установить на радиатор. В моем варианте ток при котором срабатывает К2 примерно 300мА,ток отпускания 80мА. При замыкании выхода и нажатии кнопки SB1 ток не превысил 1,4A Которого недостаточно вывести LM317T из строя. Трансформатор 220/12V и ток 1-1,2A.Диодный мост на ток не менее 3-5A.

Это простое зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов , а так же и литий-полимерных аккумуляторов построено на широко известном LM317.

Процесс заряда показан на графике ниже. В первый момент процесса зарядки ток заряда постоянен, при достижении целевого уровня напряжения (Umax) на аккумуляторе, зарядное устройство переходит в режим, когда напряжение остается постоянным, а ток асимптотически стремится к нулю.

Выходное напряжение литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов, как правило, составляет 4,2В (для некоторых типов 4,1 В). Обычно, выходное напряжение не совпадает с номинальным напряжением которое составляет 3,7В (иногда 3,6В).

Не рекомендуется заряжать данный тип аккумуляторов до полных 4,2В, так как это уменьшает срок службы аккумулятора. Если уменьшить выходное напряжение до 4,1В, емкость падает на 10%, но в тоже время срок службы (количество циклов) увеличится почти в два раза. При эксплуатации аккумуляторов, нельзя доводить номинальное напряжение ниже 3,4…3,3В.

Описание зарядного устройства

Как уже было сказано, зарядка построена на стабилизаторе LM317. Li-Ion и Li-Pol довольно требовательны к точности зарядного напряжения. Если вы хотите, произвести заряд до полного напряжения (обычно 4,2В), то необходимо выставить это напряжение с точностью плюс/минус 1%. После зарядки до 90% емкости (4,1В), точность может быть немного меньше (около 3%).

Схема с применением LM317 обеспечивает достаточно точную стабилизацию напряжения. Целевое напряжение устанавливается R2. Стабилизация тока не столь критична, как стабилизация напряжения, поэтому достаточно, стабилизировать его с помощью шунтирующего резистора Rx и NPN транзистора (VT1).

Если падение напряжения на резисторе Rx достигает примерно 0,95В, то транзистор начинает открываться. Это уменьшает напряжение на контакте «Общий» стабилизатора Lm317 и тем самым стабилизируется ток.

Необходимый ток зарядки для конкретного литий-ионного (Li-Ion) и литий-полимерного (Li-Pol) аккумулятора выбирается путем изменения сопротивления Rx. Сопротивление Rx приблизительно соответствует следующему отношению: 0,95/Imax. Указанное на схеме значение резистора Rx соответствует току в 200мА.

Входное напряжение питания зарядного устройства должно находиться в диапазоне от 9 до 24 вольт. Превышение данного уровня увеличивает потери мощности в цепи LM317, снижение — нарушит правильную работу (нужно пересчитывать падение напряжения на шунте и минимальное напряжения на контакте «Общий»). Транзистор VT1 можно заменить на BC237, KC507, C945 или отечественный