Все, що вам потрібно знати про li

Якщо хтось Тоні Старк не вступить і не винайде реактор дуги або не здійснить дослідження супутників сонячної енергії (SPS) для бездротової передачі енергії, нам, людям, доводиться залежати від акумуляторів для живлення наших портативних або віддалених електронних пристроїв. Найпоширенішим типом акумуляторних батарей, який ви знайдете в побутовій електроніці, є або іон літію, або тип літій-полімер. У цій статті наш інтерес стосуватиметься літій-іонних акумуляторів, оскільки вони, як правило, корисніші за всі інші типи. Будь то невеликий банк живлення, ноутбук чи щось таке велике, як нова модель Tesla 3, все живиться від літій-іонної батареї.

Що робить ці акумулятори особливими? Що ви повинні знати про це, перш ніж використовувати його у своїх проектах / проектах? Як ви будете безпечно заряджати або розряджати ці акумулятори? Якщо вам цікаво знати відповіді на всі ці питання, то ви потрапили на потрібну статтю, просто сидіти склавши руки та читаючи, поки я намагатимусь зробити це якомога цікавішим.

Історія літій-іонних акумуляторів

Ідея літій-іонної батареї була вперше висунута Г. Н. Льюїсом в 1912 році, але вона стала здійсненною лише в 1970-х роках, і перша неперезаряджається літієва батарея була виведена на комерційні ринки. Пізніше, в 1980-х роках, інженери спробували зробити першу акумуляторну батарею з використанням літію як анодного матеріалу, і частково досягли успіху. Вони не помітили, що ці типи літієвих акумуляторів були нестабільними під час процесу зарядки, і це створило б коротке замикання всередині батареї, збільшуючи температуру та спричиняючи тепловий втечу.

У 1991 році одна з таких літієвих батарей, що використовувалася у мобільних пристроях, вибухнула над обличчям чоловіка в Японії. Лише після цього випадку було зрозуміло, що з літій-іонними акумуляторами слід поводитися з особливою обережністю. Величезна кількість цих типів акумуляторів, які були на ринку, були відкликані виробниками з питань безпеки. Пізніше, після довгих досліджень, Sony представила вдосконалені літій-іонні акумулятори з новою хімією, яка використовується дотепер. Давайте закінчимо тут уроки історії та розглянемо хімію літій-іонної батареї.

Хімія літій-іонних акумуляторів і працює

Як видно з назви, літій-іонні акумулятори використовують іони літію, щоб виконати свою роботу. Літій - це дуже легкий метал з високою щільністю енергії, ця властивість дозволяє батареї мати малу вагу та забезпечувати високий струм з малим форм-фактором. Щільність енергії - це кількість енергії, яку можна накопичити в одиниці об'єму батареї, чим вища щільність енергії, тим меншою буде батарея. Незважаючи на переважні властивості металу літію, його не можна використовувати як електрод безпосередньо в батареях, оскільки літій дуже нестабільний через свою металеву природу. Отже, ми використовуємо іони літію, які більш-менш мають однакові властивості з металом літію, але вони неметалеві і порівняно безпечніші у використанні.

Зазвичай анод літієвої батареї виготовляється з вуглецю, а катод батареї - з використанням оксиду кобальту або іншого оксиду металу. Електроліт, який використовується для з'єднання цих двох електродів, буде простим сольовим розчином, що містить іони літію. При розряді позитивно заряджені іони літію рухаються до катода і бомбардують його, поки він не стане позитивно зарядженим. Тепер, оскільки катод позитивно заряджений, він притягує до себе негативно заряджені електрони. Ці електрони змушені текти через нашу ланцюг, тим самим живлячи ланцюг.

Подібним чином під час зарядки відбувається прямо протилежне. Електрони від зарядів потрапляють в батарею, а отже, іони літію рухаються до анода, змушуючи катод втрачати позитивний заряд.

Вступ до літій-іонних батарей

Досить теорії щодо літій-іонних батарей, тепер давайте практично познайомимось з цими елементами, щоб ми могли бути впевнені в їх використанні у наших проектах. Найбільш часто використовуваним літій-іонним акумулятором є клітинки 18650, тому ми поговоримо про те саме в цій статті. Типова комірка 18650 показана на зображенні нижче

Як і всі акумулятори, літій-іонний акумулятор також має напругу та ємність. Номінальна напруга для всіх елементів літію становитиме 3,6 В, тому вам потрібна більш висока специфікація напруги, вам доведеться поєднувати дві або більше комірок послідовно, щоб її досягти. За замовчуванням усі літій-іонні елементи матимуть номінальну напругу лише ~ 3,6 В. Цій напрузі можна дозволити знижуватися до 3,2 В при повному розряді і підніматися до 4,2 В при повністю зарядженому. Завжди пам’ятайте, що розрядка батареї нижче 3,2 В або зарядка її понад 4,2 В призведе до пошкодження батареї назавжди, а також може стати рецептом феєрверків. Давайте розберемо термінологію батареї 18650, щоб ми могли краще зрозуміти. Майте на увазі, що ці пояснення застосовні лише до однієї комірки 18650, пізніше ми отримаємо більше в літій-іонних акумуляторних батареях, де більше ніж одна комірка підключена послідовно або паралельно, щоб отримати набагато вищі значення напруги та струму.

Номінальна напруга: Номінальна напруга - це фактична номінальна напруга комірки 18650. За замовчуванням він становить 3,6 В і залишатиметься незмінним для всіх 18650 комірок, незважаючи на його виробництво.

Повна напруга розряду: Ніколи не можна дозволяти елементу 18650 розряджатися нижче 3,2 В, якщо цього не зробити, це змінить внутрішній опір акумулятора, що призведе до постійного пошкодження батареї, а також може призвести до вибуху

Напруга повного заряду: напруга заряду для літій-іонних елементів становить 4,2 В. Слід подбати про те, щоб напруга комірки не збільшувалася на 4,2 В у будь-який момент часу.

Рейтинг mAh: Ємність клітини зазвичай дається в термінах mAh (година Міллі Ампера). Це значення буде залежати від типу комірки, яку ви придбали. Наприклад, припустимо, що наша клітина тут є 2000mAh, що є нічим іншим, як 2Ah (Ампера / годину). Це означає, що якщо ми витягнемо 2А з цієї батареї, вона прослужить 1 годину, і, аналогічно, якщо ми витягнемо 1А з цієї батареї, вона буде тривати 2 години. Отже, якщо ви хочете знати, як довго акумулятор буде живити ваш проект (час роботи), вам доведеться розрахувати його, використовуючи рейтинг мАг.

Час роботи (у годинах) = Потужність струму / рейтинг мАг

Де струм струму повинен бути в межах граничного значення С.

Рейтинг C: Якщо ви коли-небудь задавались питанням про те, яку максимальну кількість струму ви можете заряджати від акумулятора, то вашу відповідь можна отримати за рейтингом C батареї. Рейтинг батареї знову змінюється для кожної батареї, припустимо, що акумулятор у нас є акумулятором на 2 А · год із рейтингом 3С. Значення 3С означає, що акумулятор може видавати в 3 рази більше номінального номіналу Ах як максимальний струм. У цьому випадку він може подавати до 6А (3 * 2 = 6) як максимальний струм. Зазвичай 18650 комірок мають рейтинг лише 1С.

Максимальний струм, що забирається від акумулятора = Номінал C * Ат

Зарядний струм: Ще однією важливою специфікацією акумулятора, яку слід помітити, є його струм заряду. Те, що акумулятор може подавати максимальний струм 6А, ще не означає, що він може заряджатися 6А. Максимальний струм зарядки акумулятора буде зазначено в технічному паспорті батареї, оскільки він залежить від акумулятора. Зазвичай це буде 0,5 ° C, що означає половину значення рейтингу Ah. Для акумулятора номіналом 2 А год струм зарядки становитиме 1 А (0,5 * 2 = 1).

Час заряджання: Мінімальний час заряджання, необхідний для заряджання осередку 18650, можна обчислити, використовуючи значення струму заряду та номінал Ач акумулятора. Наприклад, зарядка акумулятора на 2 Агод із зарядним струмом на 1 А займе приблизно 2 години, якщо пристрій заряджається лише за допомогою методу CC.

Внутрішній опір (ІЧ): справність та ємність батареї можна передбачити, вимірявши внутрішній опір батареї. Це не що інше, як значення опору між анодним (позитивним) та катодним (негативним) висновками акумулятора. Типове значення IR комірки буде зазначено в таблиці. Чим більше вона відходить від фактичного значення, тим менш ефективною буде батарея. Значення ІЧ для комірки 18650 буде в діапазоні мілі Ом, і існують спеціальні прилади для вимірювання значення ІЧ.

Методи зарядки: Є багато методів, якими практикується зарядка літій-іонних клітин. Але найчастіше використовується 3-ступінчаста топологія. Три етапи - це CC, CV та зарядка. У режимі CC (постійний струм) комірка заряджається постійним струмом зарядки, змінюючи вхідну напругу. Цей режим буде активним до тих пір, поки акумулятор не зарядиться до певного рівня, а потім CV (Постійна напруга)режим починається, коли напруга зарядки підтримується, як правило, на рівні 4,2 ​​В Кінцевим режимом є імпульсна зарядка або струменева зарядка, де невеликі імпульси струму передаються на акумулятор для поліпшення життєвого циклу батареї. Є також набагато складніші зарядні пристрої, що передбачають 7-етапну зарядку. Ми не будемо глибоко заглиблюватися в цю тему, оскільки вона далеко не виходить за межі цієї статті. Але якщо вам цікаво знати згадку в розділі коментарів, і, можливо, я напишу окрему статтю про зарядку літій-іонних елементів.

Стан заряду (SOC)%: стан заряду - це не що інше, як ємність акумулятора, подібна до тієї, що показана у нашому мобільному телефоні. Ємність батареї неможливо просто розрахувати за допомогою її клапана напруги, вона зазвичай розраховується за допомогою інтеграції струму, щоб визначити зміну ємності батареї з часом.

Глибина розряду (DOD)%: Наскільки далеко можна розрядити батарею, визначається DOD. Жодна батарея не матиме 100% розряду, оскільки, як ми знаємо, це може пошкодити батарею. Зазвичай для всіх батарей встановлюється глибина розряду 80%.

Розмір комірки: Ще однією унікальною та цікавою особливістю комірки 18650 є її розмірність. Кожна комірка матиме діаметр 18 мм і висоту 650 мм, завдяки чому ця комірка отримала свою назву 18650.

Якщо ви хочете отримати більше визначень термінології, перегляньте документацію щодо термінології акумулятора MIT, де ви обов'язково знайдете більше технічних параметрів, що стосуються батареї.

Найпростіший спосіб використання комірки 18650

Якщо ви повністю новачок і тільки починаєте використовувати 18650 комірок для живлення вашого проекту, то найпростішим способом буде використання готових модулів, які можуть безпечно заряджати та розряджати ваші 18650 комірок. Тільки таким модулем є модуль TP4056, який може обробляти одну комірку 18650.

Якщо для проекту вам потрібно більше 3,6 В як вхідна напруга, то, можливо, ви захочете поєднати дві 18650 комірок послідовно, щоб отримати напругу 7,4 В. У такому випадку використання модуля типу 2S 3A літій-іонного акумулятора повинно бути корисним для безпечного заряджання та розрядки акумуляторів.

Щоб об'єднати дві або більше 18650 комірок, ми не можемо використовувати традиційну техніку пайки, щоб встановити з'єднання між ними, замість цього використовується процес, який називається точковим зварюванням. Також при поєднанні 18650 клітин послідовно або паралельно слід бути обережнішими, про що йдеться в наступному параграфі.

Літій-іонний акумулятор (послідовно та паралельно розташовані елементи)

Для живлення невеликої портативної електроніки або невеликих пристроїв одиниця 18650 або максимум пара послідовно зробить свою справу. У цьому застосуванні складність менша, оскільки кількість заряджених батарей менше. Але для більших застосувань, таких як електричний цикл / мопед чи автомобілі Tesla, нам доведеться підключати багато цих комірок послідовно і паралельно для досягнення бажаної вихідної напруги та потужності. Наприклад, автомобіль Tesla містить понад 6800 літієвих елементів, кожен з рейтингом 3,7 В і 3,1 А-год. На малюнку нижче показано, як він влаштований всередині шасі автомобіля.

З такою великою кількістю комірок для моніторингу нам потрібна виділена схема, яка може просто заряджати, контролювати та розряджати ці клітини безпечно. Ця спеціальна система називається системою контролю заряду акумуляторів (BMS). Завдання BMS полягає у відстеженні напруги окремих елементів кожної літій-іонної комірки, а також у перевірці її температури. Окрім цього, деякі BMS також контролюють струм заряду та розряду системи.

Об'єднуючи більше двох клітин, щоб сформувати упаковку, слід подбати про те, щоб вони мали однакову хімію, напругу, номінальний Ах та внутрішній опір. Крім того, заряджаючи елементи, BMS гарантує, що вони заряджаються рівномірно і розряджаються рівномірно, щоб у будь-який момент часу всі батареї підтримували однакову напругу, це називається балансуванням елементів. Окрім цього, дизайнеру також доводиться турбуватися про охолодження цих акумуляторів під час зарядки та розрядки, оскільки вони погано реагують під час високих температур.

Сподіваюся, ця стаття надала вам достатньо деталей, щоб ви могли бути трохи впевненішими в роботі з літій-іонними клітинами. Якщо у вас є якісь конкретні сумніви, не соромтеся залишати в розділі коментарів, і я постараюся зробити все можливе, щоб відповісти у відповідь. До тих пір щасливі майстравання