DC/DC-преобразователи для солнечных батарей
Для большинства мобильных устройств с питанием от аккумуляторных батарей зарядное устройство выполняется в виде автономного устройства для бытовой сети переменного тока. То есть в любом случае для формирования входного постоянного напряжения для микросхемы заряда батареи требуется AC/DC-преобразователь. Компания STMicroelectronics предлагает широкий спектр подобных преобразователей, а также проверенную технологию проектирования сетевых адаптеров. Однако сетевые зарядные устройства — хотя и самое распространенное, но не единственно возможное решение. В качестве источника энергии может быть использована солнечная энергия, накапливаемая в солнечных батареях. В номенклатуре компании STMicroelectronics присутствуют микросхемы DC/DC-преобразователей для солнечных батарей, использующих алгоритм MPPT (Maximum Power Point Tracking — слежение за точкой максимальной мощности). Не вдаваясь в специфические детали, отметим, что на сегодня технология MPPT является наиболее передовой и эффективной технологией для контроллеров заряда солнечной батареи. Вычисление максимальной точки эффективности заряда от солнечного модуля позволяет повысить эффективность генерации солнечной энергии до 25…30% по сравнению с контроллерами других типов . В настоящий момент STMicroelectronics выпускает две микросхемы — SPV1020 и SPV1040. Первая работает с цепочкой последовательно соединенных солнечных батарей с выходным напряжением в диапазоне 6,5…40 В. Вторая — как правило, с одной, батареей напряжением до 5,5 В. Компания STMicroelectronics также выпустила демонстрационную плату STEVAL-ISV012V1, включающую в себя MPPT DC/DC-преобразователь SPV1040 и микросхему заряда L6924D. На рисунке 8 показана демонстрационная плата.
Рис. 8. Демонстрационная плата зарядного устройства на солнечной батарее STEVAL-ISV012V1
В материале указывается, что суммарная эффективность подобной связки составляет примерно 85% (для SPV1040 — 94%, для L6924D — 90%).
Li – ion (Литий ионный аккумулятор)
Появились позже «никелевых»
- Разряжена 3v
- Стандартное напряжение 3.6v
- Полностью заряжена 4.1 – 4.4v
- Устойчивость к перезаряду – предельно слабая
Рабочий диапазон от – 20 до + 60
При отрицательных температурах разряд происходит существенно быстрее, практически невозможна зарядка
Количество циклов от 400 – 500, до 1000 – 1200.
Присутствует незначительный эффект памяти (в пределах погрешности, не требуется «тренировка» и полная разрядка, пред зарядом)
Уровень саморазряда около 3% при условии температуры выше 0
Нельзя допускать разряда ниже, порога в 3 вольта, в противном случае возможен выход из строя.
Не рекомендуется превышать рекомендованный производителем уровень заряда, в противном случае возможен выход из строя, самовозгорание или взрыв изделия.
Безопасность и контроль заряда, обеспечиваются встроенным, контроллером заряда, который может отсутствовать у некоторых моделей, в таком случае, требуется точный ручной контроль процесса, параметров и температуры.
История появления литий-ионных АКБ
Первые аккумуляторы Li-ion были созданы ещё в 1970-х годах. Это были революционные элементы, энергоёмкость которых была значительно выше, чем у других типов устройств. Первые образцы получили славу взрывоопасных устройств, так как при большом количестве циклов перезарядки, внутри АКБ происходили реакции с выделением газа и тепла.
Массовый выпуск литиевых устройств случился лишь в 1991 году. Основным производителем Li-ion АКБ стала компания Sony. На рынок вышли усовершенствованные аккумуляторы, в которых анод был заменён на графитовый стержень. Благодаря этому проблема «взрывов» была практически решена, а современные устройства также оснащают контроллером, который предотвращает перезаряд и минимизирует риск возгорания.
Плата защиты литиевого аккумулятора
Защитные платы для Li-ion или Li-pol аккумуляторов дополнительно защищают изделия от взрыва или воспламенения, происходящего из-за избытка газов при перезарядке. Следует учитывать, что регулярная эксплуатация недозаряженных элементов приводит к деградации катода и анода, что сокращает срок службы изделия.
Часть аккумуляторных банок оснащается платой защиты в заводских условиях. Для самодельных устройств и некоторых аккумуляторов потребуется монтаж дополнительного узла фабричного изготовления или собранного своими руками.
Схема платы балансировки литиевых аккумуляторов.
В конструкции всех литий-ионных или литий-полимерных банок предусмотрена защитная плата PCB или PCM. Устройство обеспечивает разрыв цепи при возникновении аварийной ситуации (например, короткого замыкания).
Защитный блок не оснащен регуляторами напряжения или силы тока, допускается разрядка элементов до 2,5 В и ниже (зависит от качества контроллера), что негативно влияет на рабочие характеристики аккумуляторов. Плата балансировки MBS устанавливается вместо защитного устройства, узел обеспечивает защиту от замыканий и равномерную зарядку элементов.
Виды аккумуляторных батарей по типу применяемых материалов
Так как электричество накапливается в батареях в результате проходящих внутри химических реакций, то использование в конструкции материалов с разными свойствами, определяет и технические характеристики батарей. На самом деле, типов аккумуляторов много, но мы расскажем о наиболее часто встречающихся.
Никель-кадмиевый
Как можно догадаться из названия, в такой батарее участвуют два элемента — никель и кадмий.
Никель-кадмиевый элемент может быть самой разной формы
Электролитом здесь выступает раствор гидрохлорида калия, поэтому такие батареи называют щелочными. Сейчас они не так популярны, но до сих пор остаются одним из самых надёжных типов аккумуляторов. Свою популярность никель-кадмиевые батареи для шуруповёртов получили, в основном, у профессионалов. Это строители, монтажники, электрики, работающие в суровых условиях. Даже при отрицательных температурах никель-кадмиевый аккумулятор отлично держит заряд.
Из существенных плюсов можно выделить большое количество циклов зарядки-разрядки и отсутствие потери заряда при длительном простое. Из минусов можно отметить то, что, во избежание снижения со временем максимального объёма заряда, разряжать и заряжать такой тип батареи нужно полностью.
Ещё одна важная особенность, актуальная в последнее время — токсичность кадмия. То есть, после выхода батареи из строя, её необходимо правильно утилизировать
А это и лишние расходы, и пристальное внимание со стороны экологов. В некоторых странах запрещено использовать батареи с кадмием
Никель-металлгидридный
Принцип работы и состав батареи практически тот же, что и в никель-кадмиевой. Роль второго реагента выполняет водородный металлгидридный электрод. В качестве электролита также используется гидроксид калия. По сравнению с кадмиевыми батареями, эти обладают меньшей степенью памяти. То есть, можно заряжать даже частично разряженный аккумулятор. При равных с кадмиевой батареей размерах, общий объём заряда в этом виде больше. Но не рекомендуется использовать такие батареи при отрицательных температурах.
Так в разрезе выглядит никель-металлгидридный элемент питания
Литий-ионные батареи
Многие пользователи в память о никель-кадмиевых батареях и стараются соблюдать те же правила эксплуатации для литий-ионных. То есть, полностью разряжать и заряжать аккумулятор. Однако, в литий-ионных батареях эффект памяти практически отсутствует. Помимо этого, такой тип аккумуляторов показывает самый низкий саморазряд. По своей ёмкости литий-ионные батареи превосходят никель-кадмиевые в два раза. Сегодня такой тип батарей используется повсеместно — бытовые приборы, автомобили, инструменты, телефоны и ноутбуки. Несмотря на то, что литий-ионные аккумуляторы плохо переносят отрицательные температуры, они всё равно довольно востребованы.
Литий-ионные батареи могут быть любой формы, не обязательно цилиндрической
Литий-полимерный аккумулятор
Это одна из модификаций литий-ионной батареи. Просто в качестве электролита здесь используется полимерный материал. Такой подход позволяет изготавливать батареи практически любых форм, даже ультратонких, толщиной до 1 мм. Эффект памяти выражен слабо, саморазряд тоже низкий. При относительно небольшой массе, ёмкость заряда в разы выше других типов аккумуляторов. Чем же тогда литий-полимерные аккумуляторы при всех своих инновационных свойствах плохи? Дело в том, что при перегреве или перезаряде они могут воспламеняться. Естественно, что в батареи стараются встроить защитные механизмы. Кроме того, некоторые зарядные устройства используют специальный алгоритм для зарядки. Но, зачастую, в своём желании сэкономить, производители, особенно, частные, не всегда стараются вкладываться в новые технологии.
Литий-полимерные аккумуляторы могут быть облачены практически в любую форму
LTO аккумуляторы — балансировка и защита
Три дня (и три ночи) читаю про разные техники балансировки отдельных ячеек аккумуляторных батарей разной химии, вольтажа, ёмкости. О сколько мне открытий чудных в связи с этим чтением явилось!
Зачем балансир?
Долго эксплуатируя батарею, важно следить чтобы все «банки» последовательной сборки обладали одним (схожим) напряжением. Скажем, имеем сборку из двух аккумуляторов
Чтобы поднять напряжение сборки, их соединили последовательно, то есть так: (-+) — (-+). Подаём на крайние — и + сборки напряжение заряда и вот беда. Одна банка заряжается быстрее, вторая наоборот, отстаёт
Скажем, имеем сборку из двух аккумуляторов. Чтобы поднять напряжение сборки, их соединили последовательно, то есть так: (-+) — (-+). Подаём на крайние — и + сборки напряжение заряда и вот беда. Одна банка заряжается быстрее, вторая наоборот, отстаёт.
Печаль ещё в том, что чем дальше банка при смерти, тем быстрее она будет обгонять соседей. Положительная обратная связь.
При разряде та же картина. И даже если есть отключение нагрузки по предельному напряжению сборки, то та банка что просела ниже всех (всё та же умирающая), просядет ниже критического минимума и будет всё мертвее с каждым разрядом. Жесть, фильм ужасов, неприятность. Банки надо срочно балансировать!
В сборке из двух аккумуляторов всё звучит плохо, но на сколько неприятно происходящее внутри неконтроллируемой и небалансируемой сборки из 12 ячеек? У меня дома как раз такая сборка свинцово-кислотных АКБ на 24В. Или чуть поменьше, другая сборка — там 5 ячеек литий-титанатных аккумуляторов.
Пассивный балансир
Работает только при зарядке. Представим подована Сергея, который сидит с двумя вольтметрами над нашей сборке из двух аккумуляторов. Он смотрит на вольтметры и, если вдруг какой-то покажет цифру выше некоей пороговой (для моих LTO аккумов это 2.75 В), то Сергей балансир подключает в параллель к банке сопротивление. Ну, например, лампочку. Как в этой схеме:
(по клику на картинку — ссылка на первоисточник)
На этой картинке 4 одинаковых устройства. Настройка напряжения, когда загорится лампочка в этом случае подстроечниками поканально. То есть берём лабораторный БП, подаём на вход желаемое напряжение. крутим резюк до момента включения лампочки. Идём на второй, третьй .. двадцать третий канал, делаем то же.
Конечно же, так же распространены схемы балансиров без подстройки — под заранее придуманный порог напряжений (под разную химию аккумуляторов разное и напряжение).
+ дёшево; + большой ток;
— работает только снимая лишний перезаряд.
Как правильно заряжать Li-ion аккумулятор
При эксплуатации литий-ионных аккумуляторов, необходимо правильно заряжать устройство и контролировать этот процесс. Зарядка осуществляется по специальной схеме, а контроль при помощи дополнительных плат или обычного сопротивления (резистора).
Двухступенчатая схема зарядки
Двухступенчатая схема заряда является оптимальным способом зарядки литиевых аккумуляторов. В этом случае контроллер заряда имеет повышенную нагрузку, однако это не сказывается на сроке службы устройства.
Выполнение первого этапа зависит от того, каким током будет насыщаться устройство. Номинальная величина тока равна 0,2-0,5 С (С — емкость аккумулятора), а мощность 12,6 вольт. Постоянный зарядный ток обеспечивается путем работы зарядного устройства (ЗУ), которое поднимает потенциалы на клеммах аккумулятора. При отметке в 4,2 В батарея набирает 70-80% заряда, и первый этап заканчивается.
Второй этап характеризуется постоянным напряжением и постепенно снижающимся током. Устройство поддерживает потенциал на отметке 4,15-4,25 В и контролирует параметры тока. Чем выше показатель, тем меньше становиться ток. Величина 0.05-0.01 С говорит об окончании процесса.
Как контролируют параметры зарядки
Литиевые аккумуляторы нуждаются в контроле, так как они работают в узком диапазоне изменения напряжения. Оптимальным значением считается 3 — 4,2 В. Контроллер установлен в зарядном устройстве, однако каждая батарея имеет свои прерыватели и модули защиты. В случае нарушения какого-либо параметра защитная функция отключает банку и разрывает цепь.
Контроллер обеспечивает различные функции управления:
- переводит режимы CC/CV;
- контролирует подачу энергии в банках;
- подает ток, компенсирующий саморазряд;
- измеряет температуру, предотвращая порчу батареи;
- отключает зарядку.
Зарядить аккумулятор без контроллера можно, используя резистор, включенный последовательно с устройством. Собрать схему своими руками несложно, если предварительно будут рассчитаны сопротивление, мощность резистора и ток заряда.
Полезные рекомендации при эксплуатации аккумуляторов 18650
Чтобы сохранить емкость АКБ и продлить срок их эксплуатации, нужно следовать нескольким советам:
- правильно выбирать режим работы ЗУ, при отсутствии контроллера регулировать параметры автоматически;
- избегать глубокого разряда, подключать аккумулятор при снижении заряда до 70-80%;
- при расчете длительности восстановления учитывать не только количество ампер-часов, но и разницу вольтажа при зарядке в заводских и домашних условиях, которая влияет на ваттную емкость;
- не пытаться увеличить емкость АКБ циклами разряд-заряд;
- не допускать перегрева накопителя, не оставлять его под прямыми солнечными лучами;
- эксплуатировать батарею при температуре +10…+25°С, для использования при низких температурах утеплить корпус;
- не допускать ударов по телу АКБ, воздействия сильного трения и вибрации, при транспортировке укладывать аккумуляторы на толстую мягкую подложку;
- хранить литий-ионные накопители с 50-60% заряда и при температуре около 0°С.
Технические характеристики
Минимальное напряжение разряда — 0,9 V.
Нормальное рабочее напряжение — 1,2 V. Если нужно организовать вольтаж 24 V и 12 V, отдельные компоненты собирают в блоки соединяя их последовательно.
Напряжение в NiCd электронакопителе при 100% заряде — 1,5 V.
NiCd могут функционировать в температурном диапазоне -50…+40 градусов, что безусловно выделяет такое оборудование среди конкурентов.
В зависимости от условий, в которых эксплуатируется оборудование, Ni-Cd АКБ может выдержать до 2000 циклов.
Саморазряд доходит до показателя 25% от стартовой ёмкости.
Удельная энергетическая ёмкость до 65 Вт*ч/кг.
Никель-кадмий служит до десяти лет. Но это ещё не всё: современные ламельные промышленные NiCd аккумуляторы могут протянуть 20-25 лет!
Балансир и BMS — это одно и то же или нет
Для начала разберемся, для чего нужна балансировка батареи. Аккумуляторы, из которых собирается батарея, неизбежно имеют разброс параметров, в частности, электрическую емкость и внутреннее сопротивление. Кроме того, в процессе эксплуатации эти показатели «разбегаются» еще сильнее.
Задача балансира для Li-ion-аккумуляторов – обеспечить полный заряд всех ячеек и одновременно не допустить глубокого разряда и перезаряда каждой из них. Если ячейка зарядилась полностью, она отключается от зарядного устройства, при этом все остальные продолжают заряжаться.
Если одна из ячеек разрядилась до минимального уровня, вся батарея отключается от нагрузки. Это обеспечивает бесперебойную и длительную работу всех элементов АКБ. Таким образом, балансир и модуль BMS – разные устройства, выполняющие разные функции.
И еще пару слов о балансирах. Они бывают пассивными и активными. Пассивная балансировка проще в построении, но оперирует малыми выравнивающими токами. Если ЗУ мощное, батарея емкая, а зарядные токи большие, то пассивный балансир не выполнит свою функцию. Схема активного балансира сложная, но она эффективнее и справится со своей задачей в любом случае.
Как зарядить литиевый аккумулятор 12 вольт
Каждый литиевый аккумулятор представляет герметичное изделие цилиндрической, призматической формы, для Li-pol в мягкой упаковке. Все они имеют напряжение 3,6- 4,2 В и разную емкость, измеряемую в мА/ч. Если собрать последовательно 3 банки получится батарея с напряжением на клеммах 10,8 – 12,6 В. Емкость при последовательной зарядке, измеряется по самому слабому литиевому аккумулятору в связке.
Как правильно заряжать литиевый аккумулятор 18650 или Pol на 12 вольт, нужно знать. Для возвращения прибору емкости необходимо использовать ЗУ с контроллером
Важно иметь в сборке РСМ для каждой банки, защиту от недо- и перезаряда. Другая схема незащищенных литиево-ионных аккумуляторов – установка РСВ – управляющей платы, лучше с балансирами, для равномерной зарядки банок
На зарядном устройстве необходимо задать напряжение, под которым работает батарея, 12,6 В. На приборной доске устанавливается количество банок и ток зарядки, равный 0,2- 0,5 С.
Как заряжать, предлагаем посмотреть видео, способ зарядки для 2, 3 литиевых аккумуляторов 18650, соединенных последовательно. Используется бюджетное зарядное устройство.
Варианты зарядки литий-ионных литиево-полимерных аккумуляторов:
- Зарядное устройство приобретаемое в комплекте с прибором.
- Использовать разъем USB от электронной техники – компьютера. Здесь можно получить ток 0,5 А, зарядка будет долгой.
- От прикуривателя, купив переходник с набором портов. Выбрать тот, что соответствует параметрам батареи на 12 В.
- Универсальное зарядное устройство «лягушка» с доком для установки гаджета. Как заряжать? Есть панель индикации заряда.
Специалисты советуют использовать для зарядки литиевых аккумуляторов штатное зарядное, остальные – только в форс-мажорных обстоятельствах. Однако, как зарядить литиевый аккумулятор без штатного зарядного устройства, нужно знать.
Способы параллельного соединения
Существует несколько способов параллельного соединения аккумуляторов
Способ 1
Оборудование подключено к положительному и отрицательному полюсам крайнего аккумулятора.
Обычно аккумуляторы соединяют между собой медным кабелем сечением 35 мм2 с удельным сопротивлением около 0,0006 Ом на метр. Таким образом сопротивление кабеля длиной 20 см между аккумуляторами будет 0,00012 Ом. Это очень мало, но если добавить 0,0002 Ом для каждого соединения (клемма на кабеле, клемма на аккумуляторе и т.д), то сопротивление возрастет до 0.0015 Ом.
Если нагрузка распределена между аккумуляторами равномерно, то при потребляемом токе 100 ампер, каждый из четырех аккумуляторов отдает по 25 ампер. Однако в рассматриваемой схеме самый большой ток отдает нижний аккумулятор, а ток каждого следующего постепенно уменьшается.
Это происходит потому, что ток идущий от нижнего аккумулятора не встречает на своем пути никакого сопротивления кроме сопротивления кабеля к нагрузке. Ток от второго снизу аккумулятора дополнительно проходит через два соединительных провода, от второго снизу через четыре и от самого верхнего через шесть. Таким образом, вклад верхнего аккумулятора в общий ток гораздо меньше, чем нижнего.
Два способа подключения нагрузки к батарее параллельно соединенных аккумуляторов. Слева — неправильный. Справа правильный
Во время зарядки происходит тоже самое — нижний аккумулятор заряжается большим током чем верхний. Условия его работы тяжелее, и он выйдет из строя раньше.
Вычисления показывают, что при внутреннем сопротивлении аккумулятора 0,02 Ом, сопротивлении клемм 0,0015 Ом и нагрузке 100 ампер, возникает следующее распределение тока между аккумуляторами:
Нижний аккумулятор — 35,9 ампер.
Второй снизу — 26,2 ампер.
Третий снизу — 20,4 ампер.
Верхний аккумулятор — 17,8 ампер.
Таким образом, нижний аккумулятор обеспечивает вдвое больший ток чем верхний. Однако в два раза большая нагрузка нижнего аккумулятора не означает, что его срок службы вдвое меньше. По мере разряда нижнего аккумулятора, нагрузка перераспределяется между остальными тремя аккумуляторными батареями. Недостаток такого подключения в том, что батарея в целом эксплуатируется с огромным дисбалансом и стареет гораздо быстрее, чем при правильной балансировке.
Способ 2
При втором способе соединение аккумуляторов между собой остается прежним, но нагрузка подключается к разным аккумуляторам. Распределение тока в модифицированной батареи при нагрузке 100 А следующее:
Нижний аккумулятор –26,7 ампер.
Второй снизу — 23,2 А.
Третий снизу — 23,2 А.
Верхний аккумулятор — 26,7 ампер.
Улучшение по сравнению с первым методом существенное и аккумуляторы гораздо ближе к правильной балансировке.
Способ 3
Чем дороже тяговые аккумуляторы и чем ниже их внутреннее сопротивление, тем важнее точная балансировка. Для лучшего баланса необходимо, чтобы количество связей между каждым аккумулятором и нагрузкой было примерно одинаковым.
Еще один вариант параллельного соединения аккумуляторов.
В первом способе подключения ток от нижнего аккумулятора поступал в нагрузку без дополнительных соединений. Верхний аккумулятор имел 6 соединений. Во втором способе количество соединительных звеньев для верхнего и нижнего аккумуляторов уменьшилось до 3.
При третьем способе положительные клеммы каждого аккумулятора подключаются к общей шине. То же самое выполняют и для отрицательных полюсов. Длина проводников от аккумуляторных клемм до шины должна быть примерно одинаковой, в противном случае теряется одно из основных преимуществ такого способа подключения — равное сопротивление между каждым аккумулятором и нагрузкой.
Разница в результатах между третьим и вторым способом соединения намного меньше различий между 1-м и 2-м, но для 4-8 дорогостоящих аккумуляторов дополнительная работа может быть оправдана.
Для чего соединяют источники питания
Соединяя между собой отдельные источники питания, можно получить несколько выгод:
- Поднять напряжение питания.
- Уменьшить или увеличить ток в цепи потребителя.
- Увеличить общую ёмкость сборки батарей.
Потребляемая мощность равна произведению напряжения, приложенного к потребителю и протекающего в цепи тока.
Таким образом, увеличивая напряжение питания, можно снизить нагрузку на провода от протекающего тока. Легко можно заметить, что чем больше параметр тока, тем сильнее греются проводники. Нагрев не производит никакой работы, а значит, суммарный коэффициент полезного действия электрического устройства снижается.
Основные характеристики заряжаемых батарей
Прежде чем приступить к «опытам» и соединить аккумуляторы, надо понять, какими характеристиками они обладают и что даёт каждый из видов соединений.
Первая характеристика номинальное напряжение. Параметр определяет, какое напряжение может быть между положительной и отрицательной клеммами. Характеристика эта не постоянная и номинальное значение выдаётся в цепь только от полностью заряженного источника питания, по мере разряда и под нагрузкой электродвижущая сила (ЭДС) снижается.
На сегодняшний день самыми популярными значениями являются 1,2, 2,4, 6 или 12 Вольт.
Подключая несколько источников последовательно, достигают повышенного напряжения на выходе сборки.
Ёмкость показывает, какое количество электричества устройство способно выдать до достижения минимального допустимого уровня разряда и измеряется в Ампер/часах.
Например, обозначение 50 А/ч говорит о том, что при токе равном 1А, батарея будет обеспечивать питание 50 часов, или при токе 2 А проработает 25 часов до следующей зарядки.
Представленный расчёт примерный и действует только для малых токов разряда. Повышенный ток быстрее разряжает аккумулятор. Уточнить характеристику можно по прилагаемым к изделиям диаграммам разрядных характеристик.
Пример характеристики разряда в зависимости от тока нагрузки
Общая ёмкость при любом из видов подключений будет равна суммарным показателям всех включённых в цепь аккумуляторов.
Выбор типа химии литиевых аккумуляторов
В первую очередь нужно определиться с выбором типа химии литиевых аккумуляторов. Здесь два варианта – либо литий железо фосфатные (LiFePO4), либо литий ионные (Li Ion). Но в любом случае при работе на такую мощную нагрузку нужно учитывать что аккумулятор должен быть способен отдавать необходимый ток без вреда для своего самочувствия! Разберем кратко особенности этих типов аккумуляторов.
Рабочая температура
Если предполагается пользоваться шуруповертом при минусовых температурах, то лучше выбрать литий железо фосфатные (LiFePO4) аккумуляторы. Диапазон температур при котором можно их разряжать -20 ~ 65 °С. У Li Ion емкость на морозе падает быстрее. Если работа в основном планируется при плюсовых температурах, то подойдут и те и другие. Но оба типа аккумуляторов (за исключением некоторых моделей LiFePO4) нельзя заряжать при отрицательной температуре. А верхний предел температуры при заряде у тех и других около 60°С.
Долговечность
Количество полных циклов заряд/разряд у LiFePO4 аккумуляторов более 1000, у Li Ion менее 500. Но! Если не до 0% разряжать и не до 100% заряжать, то количество циклов существенно возрастает. Хранение любые литиевые аккумуляторы лучше всего переносят наполовину заряженные при температуре 0 +10°C. Подробнее о хранении можно почитать в
Рабочее напряжение
Одна ячейка Li Ion аккумулятора при 100% заряде имеет напряжение 4,2 В, при полном разряде около 3 – 2,5 В. Среднее рабочее напряжение 3,7 В.
Одна ячейка LiFePO4 аккумулятора при 100% заряде имеет напряжение 3,6 В, при полном разряде около 2 В. Среднее рабочее напряжение 3,2 В.
Исходя из этого считаем количество последовательно соединенных ячеек для получения необходимого напряжения на выходе АКБ. Это принято обозначать числом последовательных ячеек + символ S (serial – последовательный). Напряжение при таком соединении суммируется.
последовательное соединение ячеек 3s 1p
Li Ion: 1S-4,2 В, 2S-8,4 В, 3S-12,6 В, 4S-16,8 В, 5S-21 В…
LiFePO4: 1S-3,6 В, 2S-7,2 В, 3S-10,8 В, 4S-14,4 В, 5S-18 В…
То есть к примеру, для 12 вольтового шуруповерта нужна АКБ Li Ion 3S, либо LiFePO4 4S.
Рабочий ток
В характеристиках аккумулятора обычно указывают номинальный и максимальный (пиковый) ток разряда. При номинальном токе он способен работать продолжительное время, а при пиковом – несколько секунд
Поэтому для такой мощной нагрузки как шуруповерт необходимо обращать внимание на этот показатель и выбирать высокотоковые модели аккумуляторов
На холостом ходу 12 вольтовый шуруповерт средней мощности потребляет ток 1-2 А, а при максимальной нагрузке (особенно в заторможенном состоянии) ток может достигать 30 А. Поэтому, если предполагается использовать например, аккумулятор GTF HG2 18650 3000 мАч с номинальным и пиковым токами соответственно 10А и 25А, то необходимо делать сборку минимум 3S2P, чтобы не перегружать аккумуляторы. При параллельном соединении двух аккумуляторов допустимые токи удваиваются, при соединении трех – утраиваются и т.д.
последовательно – параллельное соединение ячеек 3s 2p
Ni Cd (Никель кадмиевый аккумулятор)
Появились и начали производиться раньше остальных типов
- Разряжена 0.9 — 1v
- Стандартное напряжение 1.2v
- Полностью заряжена 1.5 – 1.8v
- Устойчивость к перезаряду — средняя
Способны сохранять работоспособность приблизительно от -50 до+ 40 градусов по цельсию, присутствует возможность зарядки, при отрицательных температурах.
Количество циклов перезарядки от 100 – 900 до 2000, в зависимости от технологии производителя
Обладают эффектом памяти, вследствие чего, рекомендуется проводить тренировку, после приобретения или длительного хранения, от 3 до 5 циклов, полностью разряжая и заряжая аккумуляторные батарейки (следует придерживаться рекомендаций производителя), последующие соблюдение циклов, позволит наилучшим образом сохранять рабочие параметры.
Уровень саморазряда может достигать 8 – 10%, для более современных или 20 -30%, для более старых версий, от первоначальной емкости.
Могут храниться разряженными, в таком случае будут «сразу» готовы к эксплуатации, после зарядки.
Способны отдавать большой «пиковый» ток
Больший вес, при относительно одинаковых размерах с Ni –Mh
Более доступная стоимость
Теория
Для последовательного соединения аккумуляторов, обычно к плюсу электрической схемы подключают положительную клемму первого последовательное соединение аккумуляторов аккумулятора. К его отрицательной клемме подключают положительную клемму второго аккумулятора и т.д. Отрицательную клемму последнего аккумулятора подключают к минусу блока. Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Значит если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.
Энергия, накопленная в АКБ, равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы — параллельно или последовательно.
Литий-ионные батареи просто подключить к БП нельзя — нужно выравнивание зарядных токов на каждом элементе (банке). Балансировку проводят при зарядке аккумулятора, когда энергии много и её можно сильно не экономить и поэтому без особых потерь можно воспользоваться пассивным рассеиванием «лишнего» электричества.
Никель-кадмиевые АКБ не требуют дополнительных систем, поскольку каждое звено при достижении его максимального напряжения заряда перестает принимать энергию. Признаки полного заряда Ni-Cd — это увеличение напряжения до определенного значения, а затем его падение на несколько десятков милливольт, и повышение температуры — так что лишняя энергия сразу превращается в тепло.
У литиевых аккумуляторов наоборот. Разрядка до низких напряжений вызывает деградацию химии и необратимое повреждение элемнта, с ростом внутреннего сопротивления. В общем они не защищены от перезаряда, и можно потратить много лишней энергии, резко сокращая тем самым время их службы.
Если соединить несколько литиевых элементов в ряд и запитать через зажимы на обоих концах блока, то мы не можем контролировать заряд отдельных элементов. Достаточно того, что одно из них будет иметь несколько более высокое сопротивление или чуть меньшую емкость, и это звено гораздо быстрее достигнет напряжения заряда 4,2 В, в то время как остальные будут еще иметь 4,1 В. И когда напряжение всего пакета достигнет напряжение заряда, может оказаться, что эти слабые звенья заряжены до 4,3 Вольт или даже больше. С каждым таким циклом будет происходить ухудшение параметров. К тому же Li-Ion является неустойчивым и при перегрузке может достичь высокой температуры, а, следовательно, взорваться.
Чаще всего на выходе источника зарядного напряжения ставится устройство, называемое «балансиром». Простейший тип балансира — это ограничитель напряжения. Он представляет из себя компаратор, сравнивающий напряжение на банке Li-Ion с пороговым значением 4,20 В. По достижении этого значения приоткрывается мощный ключ-транзистор, включенный параллельно элементу, пропускающий через себя большую часть тока заряда и превращающий энергию в тепло. На долю самой банки при этом достается крайне малая часть тока, что, практически, останавливает ее заряд, давая дозарядиться соседним. Выравнивание напряжений на элементах батареи с таким балансиром происходит только в конце заряда по достижении элементами порогового значения.
Усовершенствование зарядного устройства для Li-ion аккумуляторов
Зарядное устройство для кислотно-свинцовых или никель-кадмиевых аккумуляторов можно переделать под литий-ионные батареи. Они заряжаются напряжением 4,20 В с отклонением не более 0,05 В.
Недорогое зарядное устройство состоит из трансформатора, диодного моста, тиристора и схемы управления. Из всей схемы оставляют трансформатор с диодным мостом, остальное выпаивают. Добавляют конденсатор на 35 В емкостью 1000 мкФ. Можно взять больше, но это увеличивает габариты. Остался выпрямитель, к которому следует добавить зарядное устройство.
Простой способ реализуют с помощью микросхемы LM317, которой следует добавить режим стабилизации тока. Это достигается монтажом резистора. Его номинал подсчитывают по формуле R=1,25/I. Количество ампер для Li-ion элементов – от 0,2 до 1, одно из значений подставляют в формулу.
