Несмотря на обилие информации в сети по всевозможным аккумуляторам и
в частности по литий-ионным и
литий-полимерным, на практике выясняется, что в инженерной среде существуют некоторые заблуждения по поводу характеристик и поведения элементов Li-ion батарей.
Чтобы развеять некоторые из них хотелось бы рассмотреть и проанализировать данные, полученные в результате ряда экспериментов над Li-ion аккумуляторами.
Как наиболее перспективный по своим параметрам вид химических источников тока в настоящее время Li-ion аккумуляторы почти полностью вытеснили никель-кадмиевые (Ni-Cd) и никель метал-гидридные (Ni-MH) аккумуляторы.
«Почти» — потому, что существует еще некоторое количество изделий электронной техники, которые используют в качестве источника энергии Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторы.
Основные преимущества Li-ion аккумуляторов перед Ni-Cd и Ni-MH:
- Высокая удельная энергоемкость (по некоторым данным до 250Вт*ч/кг);
- Отсутствие эффекта памяти;
- Количество циклов до снижения емкости на 20% — 1000…5000;
- Малый саморазряд 3% в месяц.
- Быстрый заряд током до 2С;
- Токи нагрузки до 2С;
И основные недостатки:
- Температурный диапазон при разряде -20…60°С;
- Температурный диапазон при заряде 0…45°С;
- Для безопасной работы необходим модуль защиты от перезаряда, переразряда и перегрева.
- Зарядное устройство должно обеспечивать правильный режим заряда и разряда батареи.
Но речь пойдет не о достоинствах и недостатках, а о конкретных экспериментальных результатах.
С недавнего времени, в связи с разработкой зарядных устройств и модулей контроля и защиты для Li-ion батарей, мне пришлось по настоящему разобраться в вопросе заряда, разряда и защиты Li-ion элементов и батарей на их основе.
Как выяснилось в процессе работы, у Li-ion есть несколько ключевых моментов которые не были очевидны первоначально, о которых отсутствует информация в сети и которые вносят существенные изменения в ход работ по проектированию модулей контроля и защиты (battery management system BMS) и зарядных устройств.
Надо заметить, что все проблемы проистекают из того малозаметного факта, что производители Li-ion элементов (из маркетинговых соображений очевидно) своеобразно подают в документации на свои изделия один параметр, который, если его использовать как руководство при разработке ТЗ на батарею, критически сказывается на работе батареи, собранной из нескольких последовательно соединенных элементов.
Это напряжение окончания разряда.
Рассмотрим подробнее поведение батареи из 4-х элементов.
Обычно, номинальная емкость элемента указывается производителями для разряда полностью заряженного элемента током 0,2С, до напряжения 2,75В (для Li-ion элементов системы LiCoO2).
Подразумевается, что при этом остаточная емкость элемента становится равной 0%, но на этом не акцентируется внимание.
Что же происходит при работе батареи, собранной из нескольких последовательно соединенных элементов.
Рассмотрим результаты, полученные при разряде батареи из 4-х элементов постоянным током 0,5C.
Как видно из графиков, разрядная характеристика элементов до достижения ими напряжения 3,6В достаточно монотонная и, что самое главное напряжения на отдельных элементах отличаются несущественно.
Надо заметить, что отметка 3,6В соответствует 10% относительной емкости элемента.
А вот после отметки 3,6В происходит быстрое падение напряжения, и самый слабый элемент, приводит к срабатыванию защиты от переразряда, и дальнейшая судьба батареи зависит от алгоритма работы устройства защиты.
Рассчитаем разброс емкости элементов по экспериментальным данным.
Отметку 3,5В элемент №3 прошел во время 603 мин. 30 сек, а элементы 1 и 2 — во время 608 мин. 40 сек. Ток разряда равен 5000 мА. Номинальная емкость элементов 10000мА·ч.
∆T = 608 мин. 40 сек.- 603 мин. 30 сек = 5 мин. 10 сек = 310 сек. = 0,0861 ч.
Изменение емкости за это время составило:
5000 мА*0,0861 ч.=430,56мА·ч. = 4,3% от Сном.
Т.е. разброс элементов по емкости в батареи на момент окончания разряда составил 4,3%.
При производстве, элементы в батарею обычно подбираются по емкости в пределах 2-3%. Кроме того при эксплуатации, после нескольких циклов заряда-разряда разброс элементов по емкости может увеличится.
Если исходить из положения, что напряжение окончания разряда для элемента равно 2,75В (как указано в спецификации на элемент) или даже 3В (как предполагается многими отечественными производителями батарей), то при эксплуатации это неизбежно приведет к многочисленным отказам батарей составленных из последовательно соединенных элементов (от 3-х и более).
Также следует понимать, что схема контроля и защиты питается от элементов батареи (пусть это десятые миллиампера в активном режиме и микроамперы в спящем). И при разряде какого-либо элемента батареи до 0% емкости, потребление схемы контроля и защиты приведет к быстрому переразряду этого элемента и возможно к необратимому выходу батареи из строя.
На первый взгляд одним из вариантов решения этой проблемы является активное выравнивание степени заряженности элементов в процессе заряда, хранения и разряда.
Такую функциональность предоставляет например контроллер BQ78PL116 фирмы Texas Instruments. Он позволяет «перекачивать» заряд из более заряженных элементов в менее заряженные практически без потерь.
Но на практике же возникают следующие сложности.
Так например, если балансировочная цепь рассчитана на небольшой выравнивающий ток, то даже при разряде батареи током 0,1С балансировка не спасает от эффектов, обозначенных выше.
Если же сделать балансировочную цепь более мощной, то это приводит к возникновению существенных пульсаций напряжения на батарее, что может оказаться неприемлемым с точки зрения устройства-потребителя энергии.
Таким образом исходя из экспериментальных данных, разумно сделать следующие выводы.
Для обеспечения надежности функционирования, Li-ion батарею категорически не следует разряжать до напряжения менее чем 3,6В на элемент, что для батареи из 4-х элементов соответствует 14,4В.
Также Li-Ion батарею не следует разряжать ниже 10% емкости.