Зарядка и разрядка литий-ионных аккумуляторов

Зарядка и разрядка аккумуляторов — это химическая реакция, но утверждается, что литий-ионные являются исключением. Ученые, специализирующиеся на аккумуляторах, говорят об энергии, которая входит и выходит из аккумулятора, как о части движения ионов между анодом и катодом. Это утверждение имеет смысл, но если бы ученые были полностью правы, то аккумулятор жил бы вечно. Они обвиняют в снижении емкости ионы, попадающие в ловушку, но, как и во всех аккумуляторных системах, внутренняя коррозия и другие дегенеративные эффекты, также известные как паразитные реакции на электролите и электродах, все еще играют определенную роль.

Литий-ионное зарядное устройство

Литий-ионное зарядное устройство — это устройство, ограничивающее напряжение, похожее на свинцово-кислотную систему. Отличия от литий-ионных аккумуляторов заключаются в более высоком напряжении на элемент, более жестких допусках по напряжению и отсутствии подзарядки или капельной зарядки при полном заряде. Хотя свинцово-кислотные аккумуляторы предлагают определенную гибкость в отношении отключения напряжения, производители литий-ионных элементов очень строги к правильной настройке, поскольку литий-ионные аккумуляторы не терпят перезарядки. Так называемого чудо-зарядного устройства, которое обещает продлить срок службы аккумулятора и получить дополнительную емкость с помощью импульсов и других уловок, не существует. Литий-ионные аккумуляторы — это «чистая» система, которая принимает только то, что может поглотить.

Зарядные устройства Victron Energy

Высококачественные зарядные устройства для долговечной службы и надежной работы

Зарядное устройство Victron Blue Smart IP22 Charger 12/30 (1)

Идеально подходит для использования в мастерских, а также для зарядки аккумуляторов автомобилей, мотоциклов, лодок и кемперов.

Купить

Зарядное устройство Blue Smart IP65 Charger 12/15

Благодаря классу защиты IP65, устройство устойчиво к пыли и воде, что делает его идеальным для использования в жестких условиях.

Купить

Зарядное устройство Victron Phoenix Smart IP43 Charger 12/30 (3) 120/240V

Оснащено Bluetooth-интерфейсом для простого настройки и мониторинга через приложение VictronConnect. Высокая эффективность и надежность делают его идеальным решением для коммерческих, промышленных и морских применений.

Купить

Посмотреть больше

Зарядка литий-ионных аккумуляторов со смешанным кобальтом

Литий-ионные аккумуляторы с традиционными катодными материалами из кобальта, никеля, марганца и алюминия обычно заряжаются до 4,20 В/элемент. Допуск составляет +/-50 мВ/элемент. Некоторые никелевые разновидности заряжаются до 4,10 В/элемент; литий-ионные аккумуляторы высокой емкости могут заряжаться до 4,30 В/элемент и выше. Повышение напряжения увеличивает емкость, но превышение спецификации нагружает аккумулятор и ставит под угрозу безопасность. Защитные схемы, встроенные в аккумулятор, не позволяют превысить установленное напряжение.

На рисунке 1 показаны характеристики напряжения и тока, когда литий-ионный аккумулятор проходит стадии постоянного тока и полного заряда. Полный заряд достигается, когда ток уменьшается до 3-5 процентов от номинальной емкости в Ач.

Рисунок 1: Этапы зарядки литий-ионного аккумулятора

Литий-ионный аккумулятор полностью заряжается, когда сила тока падает до установленного уровня. Вместо подзарядки некоторые зарядные устройства применяют дополнительную зарядку, когда напряжение падает.

Рекомендуемая скорость зарядки для энергетического элемента составляет от 0,5C до 1C; полное время зарядки составляет примерно 2–3 часа. Производители этих элементов рекомендуют заряжать при 0,8C или меньше для продления срока службы аккумулятора; однако большинство энергетических элементов могут выдерживать более высокий уровень зарядки (C) с небольшой нагрузкой. Эффективность зарядки составляет около 99 процентов, и элемент остается холодным во время зарядки.

Некоторые литий-ионные аккумуляторы могут нагреваться примерно на 5ºC (9ºF) после достижения полного заряда. Это может быть связано со схемой защиты и/или повышенным внутренним сопротивлением. Прекратите использование аккумулятора или зарядного устройства, если температура повышается более чем на 10ºC (18ºF) при средней скорости зарядки.

Полный заряд происходит, когда аккумулятор достигает порогового значения напряжения, а ток падает до 3 процентов от номинального тока. Аккумулятор также считается полностью заряженным, если ток стабилизируется и не может снижаться дальше. Причиной этого может быть повышенный саморазряд.

Увеличение тока заряда не значительно ускоряет состояние полного заряда. Хотя аккумулятор быстрее достигает пика напряжения, заряд насыщения соответственно будет длиться дольше. При более высоком токе этап 1 короче, но насыщение на этапе 2 будет длиться дольше. Однако зарядка высоким током быстро наполнит аккумулятор примерно до 70 процентов.

Литий-ионные аккумуляторы не требуют полной зарядки, как свинцово-кислотные, да и делать это нежелательно. На самом деле, лучше не заряжать полностью, поскольку высокое напряжение создает нагрузку на аккумулятор. Выбор более низкого порога напряжения или полная отмена заряда насыщения продлевает срок службы аккумулятора, но это уменьшает время работы. Зарядные устройства для потребительских товаров имеют максимальную емкость и не могут быть настроены; длительный срок службы считается менее важным.

Некоторые более дешевые потребительские зарядные устройства могут использовать упрощенный метод «зарядки и работы», который заряжает литий-ионный аккумулятор за один час или меньше, не переходя к насыщающему заряду Stage 2. Надпись «Ready» (Готов) появляется, когда аккумулятор достигает порога напряжения на Stage 1. Состояние заряда (SoC) на этом этапе составляет около 85 процентов, что может быть достаточным для многих пользователей.

Некоторые промышленные зарядные устройства намеренно устанавливают более низкий порог напряжения заряда, чтобы продлить срок службы аккумулятора. В таблице 2 приведены приблизительные емкости при зарядке до различных порогов напряжения с насыщающим зарядом и без него.

Добавление полного насыщения при установленном напряжении увеличивает емкость примерно на 10 процентов, но добавляет нагрузку из-за высокого напряжения.

Когда аккумулятор впервые заряжают, напряжение резко возрастает. Это поведение можно сравнить с поднятием груза на резинке, что вызывает задержку. Емкость в конечном итоге догонит, когда аккумулятор почти полностью зарядится (рисунок 3). Эта характеристика заряда типична для всех аккумуляторов. Чем выше ток заряда, тем сильнее будет эффект резинки. Низкие температуры или зарядка элемента с высоким внутренним сопротивлением усиливают этот эффект.

Рисунок 3: Зависимость напряжения/емкости от времени при зарядке литий-ионного аккумулятора

Оценка состояния заряда (SoC) путем считывания напряжения заряжающегося аккумулятора непрактична; измерение напряжения холостого хода (OCV) после того, как аккумулятор простоял несколько часов, является лучшим показателем. Как и в случае со всеми аккумуляторами, температура влияет на OCV, так же как и активный материал литий-ионных аккумуляторов. SoC смартфонов, ноутбуков и других устройств оценивается с помощью кулоновского подсчета.

Перезарядка и безопасность

Литий-ионный аккумулятор не может поглощать перезаряд. После полного заряда ток заряда необходимо прекратить. Непрерывная медленная зарядка приведет к образованию металлического лития и ухудшит безопасность. Чтобы минимизировать нагрузку, держите литий-ионный аккумулятор в зоне пикового отключения как можно короче.

После завершения зарядки напряжение аккумулятора начинает падать. Это уменьшает нагрузку. Со временем напряжение холостого хода устанавливается в пределах от 3,70 В до 3,90 В/элемент. Обратите внимание, что литий-ионный аккумулятор, получивший полностью насыщенный заряд, будет удерживать повышенное напряжение дольше, чем тот, который не получил насыщающего заряда.

Когда литий-ионные аккумуляторы необходимо оставить в зарядном устройстве для обеспечения рабочей готовности, некоторые зарядные устройства применяют кратковременный полный заряд, чтобы компенсировать небольшой саморазряд, который потребляет аккумулятор и его защитная схема. Зарядное устройство может включаться, когда напряжение холостого хода падает до 4,05 В/элемент, и снова выключаться при 4,20 В/элемент. Зарядные устройства, разработанные для работы или режима ожидания, часто позволяют напряжению аккумулятора падать до 4,00 В/элемент и заряжаться только до 4,05 В/элемент вместо полных 4,20 В/элемент. Это уменьшает нагрузку, связанную с напряжением, и продлевает срок службы аккумулятора.

Некоторые портативные устройства устанавливаются в зарядное устройство в положении «ВКЛ.». Ток, проходящий через устройство, называется паразитной нагрузкой и может искажать цикл зарядки. Производители аккумуляторов советуют избегать паразитных нагрузок во время зарядки, поскольку они вызывают мини-циклы. Этого не всегда можно избежать, и ноутбук, подключенный к сети переменного тока, является именно таким случаем. Аккумулятор может заряжаться до 4,20 В/элемент, а затем разряжаться устройством. Уровень нагрузки на аккумулятор высокий, поскольку циклы происходят на пороге высокого напряжения, часто также при повышенной температуре.

Портативное устройство следует выключать во время зарядки. Это позволяет аккумулятору беспрепятственно достичь установленного порога напряжения и точки насыщения тока. Паразитная нагрузка сбивает с толку зарядное устройство, снижая напряжение аккумулятора и предотвращая падение тока на стадии насыщения достаточно низко, создавая ток утечки. Аккумулятор может быть полностью заряжен, но преобладающие условия будут побуждать к продолжению зарядки, что будет вызывать нагрузку.

Литий-ионные аккумуляторы без кобальта

В то время как традиционный литий-ионный аккумулятор имеет номинальное напряжение элемента 3,60 В, литий-фосфатный (LiFePO) является исключением с номинальным напряжением элемента 3,20 В и зарядкой до 3,65 В. Относительно новым является литий-титанатный (LTO) аккумулятор с номинальным напряжением элемента 2,40 В и зарядкой до 2,85 В.

Зарядные устройства для этих литий-ионных аккумуляторов без кобальтовой смеси несовместимы с обычными литий-ионными аккумуляторами на 3,60 вольта. Необходимо принять меры для идентификации систем и обеспечения правильного напряжения зарядки. Литий-ионный аккумулятор на 3,60 вольта в зарядном устройстве, предназначенном для литий-фосфатного аккумулятора, не получит достаточного заряда; литий-фосфатный аккумулятор в обычном зарядном устройстве приведет к перезаряду.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить

Посмотреть больше

Перезарядка литий-ионного аккумулятора

Литий-ионный аккумулятор безопасно работает в пределах указанного рабочего напряжения; однако, аккумулятор становится нестабильным, если его случайно зарядить до напряжения выше указанного. Длительная зарядка выше 4,30 В для литий-ионного аккумулятора, рассчитанного на 4,20 В/элемент, приведет к образованию металлического лития на аноде. Материал катода становится окислителем, теряет стабильность и образует углекислый газ (CO2). Давление в элементе повышается, и если заряд продолжать, устройство прерывания тока (CID), ответственное за безопасность элемента, отключается при давлении 1000–1380 кПа (145–200 фунтов на квадратный дюйм). Если давление повышается дальше, защитная мембрана на некоторых литий-ионных аккумуляторах разрывается при давлении около 3450 кПа (500 фунтов на квадратный дюйм), и элемент может в конечном итоге взорваться с пламенем.

Выделение газа с пламенем связано с повышенной температурой. Полностью заряженный аккумулятор имеет более низкую температуру теплового разгона и выделяет газ быстрее, чем частично заряженный. Все литиевые аккумуляторы безопаснее при меньшем заряде, и именно поэтому власти обязывают перевозить воздушным транспортом литий-ионные аккумуляторы с 30-процентным уровнем заряда, а не с полным зарядом.

Порог для литий-кобальтового аккумулятора при полном заряде составляет 130–150ºC (266–302ºF); для никель-марганцево-кобальтового (NMC) аккумулятора — 170–180ºC (338–356ºF), а для литий-марганцевого — около 250ºC (482ºF). Литий-фосфат имеет схожую и лучшую температурную стабильность, чем марганец.

Литий-ионный аккумулятор — не единственный, который представляет угрозу безопасности в случае перезарядки. Также известно, что свинцовые и никелевые аккумуляторы плавятся и вызывают пожар при неправильном обращении. Правильно разработанное зарядное оборудование имеет первостепенное значение для всех аккумуляторных систем, а датчик температуры — это надежный страж.

Краткие итоги

Зарядка литий-ионных аккумуляторов проще, чем никелевых. Схема зарядки проста; ограничения по напряжению и току легче учесть, чем анализировать сложные сигнатуры напряжения, которые меняются с возрастом аккумулятора. Процесс зарядки может быть прерывистым, а литий-ионные аккумуляторы не требуют насыщения, как в случае со свинцово-кислотными. Это дает значительное преимущество для возобновляемых источников энергии, таких как солнечные панели и ветровые турбины, которые не всегда могут полностью зарядить аккумулятор. Отсутствие капельной подзарядки еще больше упрощает зарядное устройство. Выравнивающий заряд, как это требуется для свинцово-кислотных аккумуляторов, не нужен для литий-ионных аккумуляторов.

Потребительские и большинство промышленных зарядных устройств для литий-ионных аккумуляторов полностью заряжают его. Они не предлагают регулируемого конечного напряжения заряда, которое бы продлило срок службы литий-ионных аккумуляторов за счет снижения конечного напряжения заряда и принятия более короткого времени работы. Производители устройств опасаются, что такая опция усложнит работу зарядного устройства. Исключением являются электромобили и спутники, которые избегают полного заряда, чтобы достичь длительного срока службы.