Можно ли постоянно подзаряжать lipo аккумуляторы. Литий полимерный аккумулятор

У многих начинающих моделистов рано или поздно возникает вопрос, что такое LiPo аккумуляторы, как их подбирать, заряжать, как правильно использовать и хранить литий полимерный аккумулятор.

Эта статья создана, чтобы просто и доступно дать ответы на волнующие новичка вопросы касательно элементов питания различных моделей.

Что же такое LiPo аккумулятор нам поможет разобраться Википедия?

Цитата из Википедии:
«Литий-полимерный аккумулятор (литий-ионный полимерный аккумулятор (lithium-ion polymer battery); аббревиатуры: Li-pol, Li-polymer LiPo, LIP, Li-poly и т.д.) - это усовершенствованная конструкция литий-ионного аккумулятора. В качестве электролита используется полимерный материал с включениями гелеобразного литий-проводящего наполнителя. Используется в мобильных телефонах, цифровой технике, радиоуправляемых моделях и пр.

Обычные бытовые литий-полимерные аккумуляторы не способны отдавать большой ток, но существуют специальные силовые литий-полимерные аккумуляторы, способные отдавать ток, в 10 и даже 130 раз превышающий численное значение ёмкости в ампер-часах. Они широко применяются как аккумуляторы для радиоуправляемых моделей, а также в портативном электроинструменте и в некоторых современных электромобилях.»

Как выбрать LiPo аккумулятор? Основные критерии выбора литий полимерного аккумулятора.

В этом нам поможет маркировка аккумуляторов. Она указывается производителем на каждом акуме. К примеру, Turnigy nano-tech 2200mah 3S 25C Lipo Pack, где:

• Turnigy — фирма производитель
• nano tech – модель/технология производства
• 2200 mah – полная ёмкость батареи
• 3S — число банок, ячеек (1 банка = 3.7v)
• 25C – токоотдача (максимальный ток разряда)

1C — одна ёмкость батареи. Для нашего примера 2200 mah (или 2.2А)
А — ампер

Итого для данной батареи получаем: 25 х 2.2А = 55А

Следовательно силовая система питания радиоуправляемой модели, в которой будет использован данный аккумулятор должна иметь максимальную силу тока в электроцепи менее 55А, желательно с запасом не более 45-50А.

Если сила потребляемого тока модели будет близка к 55А то вышеуказанный аккумулятор быстро выйдет из строя.

Первым признаком выхода из строя является вздутие LiPo аккумулятора. Вернуть работоспособность можно поместив батарею в холодильник или подвал и сделать пару Но ресурс элемента питания уже не будет прежний.

Особо хотим отметить – LiPo одни из самых опасных аккумуляторов, обращаться с ними надо крайне бережно и внимательно. Любой удар, нагрев, переразрад или перезаряд могут привести к возгоранию или взрыву батареи.

• Повреждать внешнюю оболочку
• Заряжать большими токами
• Разряжать ниже 3V
• Подвергать нагреву или перегреву во время использования

Зарядка LiPo аккумуляторов.

Зарядное устройство для LiPo аккумуляторов.

Зарядка LiPo аккумуляторов должна осуществляться с помощью специальных зарядных устройств (ЗУ) с режимом балансировки.
Рекомендуеммыми зарядными устройствами являются:

Зарядное устройство/балансир IMAX-B6 (профессиональное, оригинал)
Зарядное устройство/балансир бюджетная версия IMAXRC-B3 (бюджетный вариант, оригинал)

Производитель фирма SkyRC.Существует много подделок и копий данных ЗУ. Которые часто горят и приводят к возгоранию аккумуляторов. Поэтому лучше покупать оригинальную продукцию. Проверить которую можно по коду на голограмме.

Большинство полнофункциональных ЗУ имеют несколько режимов заряда LiPo:

• Заряд — charge
• Разряд — discharge
• Баланс — balance
• Хранение – storage

Для хранения батареи нужно заражать в режиме «Storage» . Уровень заряда при этом будет установлен примерно на половину, что обеспечит оптимальные условия хранения.

Повседневный заряд аккумулятора, при наличии более 2 банок, стоит производить исключительно в режиме балансировки «Balance» .

Для начала процесса заряда нужно:

• Выбрать число S вашей батареи (2S, 3S и тд.)
• Выставить силу тока – А (1А, 1,1А и тд.)

И ждать окончания процесса заряда.
Важно не оставлять этой процесс без присмотра!

Как заряжать LiPo аккумуляторы.

Стоит отметить, что существуют акумы с током заряда 2С и даже 5С. Для них рекомендуемые показатели будут выше. Смотрите информацию, которую указывает производитель на самой батареи.

LiPo аккумуляторы имеют имеет 2 силовых провода:

• Силовой красный +
• Силовой черный —

А также балансировочный кабель (2S и выше).

Балансировочный провод применяется для равномерной зарядки всех банок.

На квадрокоптере или любой другой модели к этому разъему обычно подключают сигнализатор разряда батареи (пищалку). Сигнализатор бортовой разряда аккумулятора (1S-8S) с громким звуковым сигналом и индикатором показывающим напряжение.

Рассмотрим на примере: Turnigy nano-tech 2200mah 3S 25C

Ток 1С равен 2,2А, но оптимальным для батареи будет использовать ток заряда 1-1,5А.

Батарея будет заражаться дольше, чем при токе 2,2А, но срок эксплуатации будет увеличен.

Если ток заряда будет превышать 1С – возрастает риск взрыва батареи и возникновения пожара.

На первых порах можно обойтись обычной кастрюлей или любой металлической емкостью.

Хранение LiPo аккумуляторов.

Хранить батареи необходимо заряженными на 40-60% (напряжение при этом будет около 3.8v на банку).

Длительное хранение полностью заряженной или полностью разряженной батареи приведет к выходу её из строя.

Рекомендации для правильного хранения LiPo аккумуляторов:

• Перевести батарею в режим хранения «Storage»
• Избегать попадания прямых солнечных лучей
• Соблюдать температуру хранения в пределах 0..+10°С (температура холодильника), либо +5..+28°С (комнатная температура). Второй вариант менее предпочтителен.
• Хранить в специальном пакете, огнеупорном боксе, или закрывающейся железной емкости.

Стоит помнить, что любые отклонения от вышеуказанных параметров приводит к падению токоотдачи, снижению емкости или вовсе выходу из строя аккумулятора.

В пору моего активного увлечения радиоуправляемыми штуками я использовал радиоаппаратуру Turnigy 9x, которую запитывал через литий-полимерный аккумулятор с низким током разряда - в отличие от модельных батарей, которые выдают десятки ампер тока, низкоразрядные используются для обычного питания всяких маломощных штук.

В общем, один раз я попросту забыл выключить пульт и за ночь батарея высадилась до непозволительного уровня напряжения:

Напряжение в 3.63 Вольта - это очень, ОЧЕНЬ мало. Например, похожая модельная батарея - она тоже состоит из трёх последовательных «банок» - выдаёт вполне правильное напряжение:

Казалось бы, в чём проблема? Подключаем батарею к зарядному устройству и просто заряжаем. Но все интеллектуальные зарядные устройства не зря называются «умными»: они попросту отказываются заряжать глубоко разряженные аккумуляторы и выводят ошибку «Low voltage»:

Но почему-у-у-у-у-у?! Лай-лу-ла-а-а…

Вольтаж литий-полимерной батареи - это не шутки!

Давайте для начала разберёмся с напряжениями. Их три.

1. 4.2В - это верхнее напряжение на полностью заряженной банке (ячейке). Для двух банок - 8.4В. Для трёх - 12.6В и далее. При достижении верхнего напряжения процесс зарядки останавливается. Выше нельзя - сверхзаряженные батареи задорно и с искоркой бахают и взрываются, это ОЧЕНЬ опасно и не тушится водой.
2. 3.7В - это номинальное напряжение на банке. Именно его указывают на батарее. Для двух банок - 7.4В. Для трёх - 11.1В и далее. Запомните, что это не полное напряжение заряда, а, скорее, среднее.
3. 3.0В - это минимальное напряжение на банке. Кто-то берёт нижнюю границу за 3.2В, но три вольта на ячейке - это вообще суперминимум. Ниже нельзя. Ниже будет плохо. В моём случае 3.6В на три банки - это по 1.2В на каждую, то есть значительно меньше границы суперминимума.

Глубокий разряд это очень, ОЧЕНЬ плохо

В аккумуляторе происходит волшебная химия, которая позволяет его разряжать и снова заряжать. Глубокий разряд нарушает эту химию и после разряда батарею либо невозможно зарядить обратно вообще, либо невозможно зарядить обратно несколько конкретных ячеек, либо невозможно достичь былой ёмкости… В общем, будет что-то «не то». А что именно будет - надо выяснять в каждом конкретном случае. Поэтому необходимо глубоко разряженную батарею зарядить и всё выяснить.

А как это сделать, если зарядник отказывается наотрез? Давайте схитрим.

Заряжаем глубоко разряженную батарею интеллектуальным зарядником

У интеллектуального (настраиваемого) зарядного устройства батарея подключается дважды: силовым разъёмом (плюс-минус) и балансным (количество контактов зависит от количества банок). Через силовой в батарею вливается жизнь, а через балансный контролируется равномерность залива в каждую банку.

Чтобы надурить интеллект зарядника подключаем пострадавшую батарею в силовой разъём, а рабочую - в балансный. И всё будет хорошо, но запомните важные моменты.

1. Измерьте напряжение на каждой банке с помощью мультиметра. Мысленно пронумеруйте контакты балансного разъёма (например, 1-2-3-4 для трёхбаночной) и проверьте напряжение на каждой паре контактов (в моём случае 1-2, 2-3, 3-4). Запишите эти данные куда-нибудь.
2. Для обмана необходимо использовать батарею ТАКОЙ ЖЕ конфигурации. Если пострадала трёхбаночная (3S), то для обмана используйте тоже 3S.
3. Установите самый минимальный ток заряда, не более 0.5А. Знаю, стандартный ток заряда для моей модельной батареи 5А, для пострадавшей - 2.6А. Но тут придётся потерпеть и подождать - безопасность превыше всего!
4. Регулярно проверяйте напряжение мультиметром на каждой банке в процессе заряда (как в п.1) - оно не должно быть выше 4.2В.
5. Остановите процесс обманной зарядки, когда каждая банка выйдет на напряжение в 3.0-3.2В. С этого момента можно заряжать батарею как обычно.

Я уже говорил, что после зарядки может быть «что-то не то». У вас может не принимать заряд какая-то банка - вы это вычислите по тому, что на ней напряжение не будет подниматься в процессе заряда. У меня так и было: первые две заряжались нормально, а третья не хотела ни в какую. Так что батарею пришлось утилизировать, к сожалению. Но если у вас не такой уж глубокий разряд, то, возможно, удастся вернуть батарею к жизни полностью. Возможно, она будет разряжаться быстрее, чем раньше. Но это лучше, чем ничего.

У любого новичка возникает вопрос: Что такое LiPo и с чем его едят. Попробуем разобраться.

После её прочтения новички стали задавать вопросы про LiPo, что послужило поводом для создания статьи.

1.Что же такое LiPo аккумулятор?
Зачастую случается,что человек не хочет ничего искать и сразу задаёт вопросы. Переносить текст не буду. Прочтите.
http://bit.ly/YgKh2X

LiPo акк. необходимо тщательно выбирать для модели.
Любой LiPo акк. имеет маркировку. Для примера Turnigy 1600 mah 3S 30C где,
Turnigy -фирма производитель
1600 mah -ёмкость батареи
3S - число банок (1 банка 3.7v)
30C - токоотдача

1C - одна ёмкость батареи. Для нашего примера 1600 ma(или 1.6А) А- ампер
Для предоставленной батареи получаем: 30 х 1.6А = 48А
Система РУ модели, в которой используется данный акк. , должна иметь пиковую силу тока в эл цепи менее 48А, желательно с запасом.(не более 40-45А)
При не соблюдении такого условия будет убита батарея.
Тревожным признаком будет её вздутие. Такие батареи можно вернуть в исходное состояние, положив их в холодильник или подвал/погреб;но функционал будет снижен. После таких процедур нужно сделать пару циклов разряд-заряд.

Хочу подчеркнуть,что LiPo это опасная штука и с ней надо бережно обращаться.

Что нельзя делать:

1. повреждать внешнюю оболочку.
2. нагревать.
3. сильно разряжать(ниже 3v.)
4. заряжать большими токами.

2.Как зарядить?
Для Зарядки LiPo батарей используются специальные зарядные устройства(ЗУ).
Настоятельно Рекомендуется использовать ЗУ с возможностью балансировки.


Любой LiPo акк. (2S и выше) имеет 2 провода: 1) Силовой (красный"+" и черный "-")
2) Балансировочный.
Балансировочный провод необходим для равномерной зарядки всех банок батареи.
На балансировочный провод моделисты цепляют вольтметр-пищалку,для предотвращения разряда ниже порога.

LiPo батареи можно заряжать током 1С. Для долгой жизни башей батареи нужно использовать ток заряда 0.4-0.6С. При выборе такого тока батарея дольше проживет(будет меньше прогрессировать старение).
Но обязан указать,что есть батареи с током заряда 2С или 5С. На упаковке будет указано.
Рассмотрим на примере: Turnigy 1600 mah 3S 30C
Ток 1С равен 1,6А, но оптимально для батареи можно взять ток заряда 1А.
Батарея будет за зарядке дольше,чем при токе 1,6А, но срок эксплуатации будет больше.
Если ток заряда больше 1С, то батарея может взорваться и будет пожар.

Большинство продвинутых ЗУ имеют разлизные варианты заряда LiPo
Заряд charge
Разряд discharge
Баланс balance
Хранение storage
Нужно выбрать число S вашей батареи, выставить силу тока - А и ждать.

3.Как хранить?
Хранить батареи необходимо заряженными на 60%(3.8v на банку)
При длительном хранении заряженной на 100% или разряженной,батарея умрет/раздуется.
Для правильного хранения LiPo необходимо:

1. Хранить вдалеке от прямых солнечных лучей
2. Рекомендуются температуры от +18 до +5 (некоторые моделисты хранят их в холодильнике)
3. Хранить в спец. пакете или огнеупорном боксе.
4. Перевести батарею в режим хранения.

Статья написана для группы в ВК RC обзоры

Эти аккумуляторы по праву заслужили такие отзывы как «самые привередливые, опасные, ненадежные и маложивущие», но несмотря на все эти недостатки, использование данных аккумуляторов стремительно растет, так как они имеют непревзойденный показатель удельной (на массу) энергии, а также способны отдавать большие токи разряда. Так что для силовых электромотором этим аккумуляторам, практически, нет пока альтернативы.

Кратко перечислим основные правила эксплуатации LiPo аккумуляторов, дав ниже подробные объяснения причин для интересующихся:

1.При заряде LiPo заряжайте их только специальным зарядным устройством для LiPo и только под присмотром. В случае какого-то внутреннего повреждения во время заряда может произойти самовозгорание и пожар.

2.Никогда не заряжайте аккумулятор без балансира - устройства, контролирующего и выравнивающего напряжения на каждой «банке» в последовательно соединенной батарее. Для устройств типа iMax B6, G.T.Power A6 и им подобных, имеющих встроенный балансир и выбор методов заряда, всегда выбирайте режим Balance Charge вместо просто LiPo Charge. Последний не балансирует и не контролирует каждую из банок.

3.Для заряда используйте ток величиной не более 1С, если вы на поле, и около 0.5-0.7С в домашних условиях. По некоторым данным, более медленный заряд продлит срок службы аккумулятора. Дополнение: некоторые новые типы батарей вроде Hyperion G3 допускают заряд токами до 5C. В этом случае можно рекомендовать такой заряд в полевых условиях, а в домашних - 2-3C будет достаточно, хотя 1C дома хуже не сделает.

4.Никогда не допускайте глубокой разрядки батареи, т.к. она необратимо выведена из строя.

5.По возможности не доводите батарею до полного разряда - лучше оставить в ней 10-20% емкости и зарядить ее повторно, чем убить ее за один раз.

6.Если есть возможность - старайтесь использовать батареи с некоторым запасом по номинальному току. Это продлит срок их службы. Как указывалось выше, LiPo батареи очень критичны к режиму эксплуатации. При заряде их используется метод CC-CV. То есть, исходно батарея заряжается некоторым фиксированным током (constant current - CC), при этом напряжение на банках батареи растет. По достижении напряжения 4.20 вольт на каждой банке батарея уже заряжена примерно на 95%, и зарядное устройство переходит ко второй фазе алгоритма заряда CV (constant voltage, постоянное напряжение). При этом ток постепенно снижается так, чтобы напряжение на каждой банке не превысило 4.20 вольт. Эта величина определяется химией LiPo батареи. Превышение ее допустимо не более, чем до 4.25 вольт, а достижение значения 4.30 и выше чревато взрывным самовозгоранием.

Фазой заряда CV в полевых условиях можно пренебречь: она добавляет только последние 5% емкости, но занимает от трети до половины общего времени заряда при заряде током 1C. Потому можно прекращать заряд по достижении батареей максимального значения напряжения, экономя время.

При разряде в процессе эксплуатации недопустимо снижение напряжения на каждой из банок ниже 3-х вольт. Достаточно один раз посадить LiPo батарею до 2.5 вольт на банку, и ее, как правило, можно будет выбросить. После такого разряда батарея может «вздуться», она теряет более половины емкости и перестает отдавать номинальный ток разряда. В течение некоторого времени батарея теряет емкость, практически, полностью.

Отсюда проблема эксплуатации LiPo заключается в том, что при заряде необходимо контролировать напряжение на каждой из банок, чтобы не вывести ее из строя, а при последующем разряде все банки разряжались одинаково, но не ниже допустимого минимума. Обычное зарядное устройство может контролировать напряжение на батарее в целом, но при большом разбросе напряжений на банках вполне возможен вариант, когда на одной из них еще 4.05 вольт, а на второй уже 4.30. Зарядка видит только суммарные 8.35 и продолжает заряжать батарею до 8.40 (4.20*2). При этом напряжение на второй банке превышает 4.30, что с большой вероятностью приводит к возгоранию. При разряде несбалансированной батареи эта же проблема способна привести к переразряду отдельно взятой банки несмотря на то, что суммарное напряжение еще выше, чем 3 вольта * количество банок.

Для решения этой проблемы используется специальное устройство, называемое балансиром. В процессе заряда оно следит за напряжением на каждой из банок и выравнивает их между собой. При этом зарядное устройство отключит заряд вовремя, не выводя аккумулятор из строя. При разряде сбалансированной батареи на модели все банки также разряжаются более-менее равномерно, и при снижении суммарного напряжения до 3 вольт на банку должна сработать отсечка регулятора, что предотвратит выход батареи из строя. Многие современные зарядные устройства уже имеют встроенный балансир, которым обязательно следует пользоваться, подключая отдельный балансировочный разъем батареи наряду с силовым и выбирая соответствующий режим заряда. Для устройств, не имеющих встроенного балансира, следует купить отдельное внешнее устройство.

Ток заряда LiPo не должен превышать емкости аккумулятора, т.е. максимальный ток заряда равен 1С. Например, для заряда аккумулятора емкостью 2200 мАч ток заряда не должен превышать 2.2 А. В то же время не следует ставить ток заряда меньше, чем 0.5С. В некоторых зарядных устройствах (Duratrax ICE) стоит неотключаемый таймер на заряд LiPo аккумуляторов на 3 часа. Поставив маленький ток, зарядное устройство может не зарядить аккумулятор полностью, а отключиться по таймеру. Есть зарядные устройства, у которых этот таймер настраивается, но большого смысла в его применении для заряда LiPo нет.

Принудительно разряжать или циклировать литиевый аккумулятор нет никакого смысла, так как эти батареи не имеют эффекта памяти и должны храниться в заряженном состоянии (наиболее оптимальный режим хранения - 60% заряда). Ток разряда аккумулятора может быть любым, но не более его номинала, указанного на этикетке также в единицах величины емкости C. Например 20С на аккумуляторе 1000 мАч означает, что максимальный непрерывный ток разряда равен 20*1000=20000 мА=20 А. Следует заметить, что если не использовать аккумулятор на пределе его возможностей, то он проживет гораздо большее количество циклов. Скажем, для одного из фирменных дорогих LiPo с номинальным током 30С приводятся такие типовые данные: при заряде и разряде токами в 1С производитель гарантирует 500 циклов без существенной потери емкости. При заряде током 1С, но разряде максимальным допустимым током в 30С количество циклов составит всего 50 (упадет в 10 раз). Это дает хороший пример того, почему желательно иметь запас по току батареи.

В процессе заряда или разряда не допускайте нагрева аккумулятора более 60 градусов. Место, в которое установлен аккумулятор на модели, должно быть хорошо вентилируемым и даже продуваемым. Не оборачивайте аккумулятор теплоизоляционными материалами (поролон, пенопласт). Если так уж случилось, что аккумулятор нагрелся, дайте ему остыть перед использованием (зарядом или разрядом).

Пример заряда LiPo GE 2200 25C 22V

В качестве иллюстрации к сказанному ниже показан типовой график заряда литий-полимерной сборки из двух последовательно соединенных аккумуляторов GE 2200 25C 11.1V после использования. График получен с помощью зарядного устройства Infinity 960SR с внешним балансиром LCB12s, подключенного к компьютеру.

Красной линией показан ток заряда, синей - напряжение на батарее, цветными - 6 графиков напряжений на каждой из банок полученной сборки.

На графике видно следующее:

1.Изначально устанавливается ток, равный 0.5С (1.1А), и этим током выполняется заряд батареи до примерно 95% ее емкости (фаза постоянного тока, CC). При этом напряжение на батарее постепенно растет примерно от 19.8 вольт до 25.2.

2.Провал тока на 10-й минуте заряда вызван тем, что зарядное устройство измеряло внутреннее сопротивление батареи (важный параметр для оценки состояния батареи).

3.После достижения батареей максимального напряжения (4.2 вольта на банку или 25.2 на всю батарею) ток начал снижаться, а напряжение стало постоянным (фаза постоянного напряжения, CV).

4.Хорошо видно, что на первых 10% емкости разброс напряжений банок максимальный. Это одна из причин, почему не рекомендуется разряжать батарею на 100% - именно на последних 10% происходит быстрое падение напряжений на банках с большим разбросом, и именно в этот момент можно вывести батарею из строя.

5.Видно, что за первые 10 минут заряда балансир, практически, полностью выровнял напряжения на банках. Колебания тока на 50-й минуте вызваны небольшим разбросом параметров банок - снова работа для балансира, который неизбежно влияет на ток заряда, поддерживаемый устройством.

6.Заряд выполняется, пока ток не упадет до величины, равной 1/10 от начальной. Был установлен щадящий режим заряда током 1.1А, и отключение произошло при падении тока ниже 0.11А. Значения полученной батареей емкости, тока и напряжения в момент окончания заряда отображены численно. Из графика можно сделать выводы, что конкретная батарея имеет заявленную емкость (в данном случае при номинале в 2200 мАч она после экскплуатации получила 2190 мАч. Кроме того, баланс банок батареи, практически, идеальный, что непосредственно указывает на качество данного бренда и конкретной батареи, в частности.

Технологии производства аккумуляторов не стоят на месте и постепенно Ni-Cd (никель-кадмиевые) и Ni-MH (никель-металл-гидридные) аккумуляторы вытесняются на рынке аккумуляторами, в основе производства которых используются литиевые технологии. Литий-полимерные (Li-Po) и литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы всё чаще используются в различных электронных устройствах в качестве источника тока

Литий - серебристо-белый, мягкий и пластичный металл, твёрже натрия, но мягче свинца. Литий — самый легкий металл в мире! Его плотность составляет 0,543 г/см 3 . Его можно обрабатывать прессованием и прокаткой. Месторождения лития имеются в России, Аргентине, Мексике, Афганистане, Чили, США, Канаде, Бразилии, Испании, Швеции, Китае, Австралии, Зимбабве и Конго

Экскурс в историю

Первые эксперименты по созданию литиевых батарей начались в 1912 году, но только спустя шесть десятилетий, в начале 70-х годов, они впервые были внедрены в бытовые устройства. Причем, подчеркну, это были именно батареи. Последовавшие вслед за этим попытки разработать литиевые аккумуляторы (перезаряжающиеся батареи) оказались неудачными из-за проблем, связанных с обеспечением безопасности их эксплуатации. Литий, самый легкий из всех металлов, имеет наибольший электрохимический потенциал и обеспечивает самую большую плотность энергии. Аккумуляторы, использующие литиевые металлические электроды, характеризуются высоким напряжением, и превосходной емкостью. Но в результате многочисленных исследований в 80-х годах было выяснено, что циклическая работа (заряд — разряд) литиевых аккумуляторов приводит к изменениям на литиевом электроде, в результате которых уменьшается тепловая стабильность и появляется угроза выхода теплового состояния из-под контроля. Когда это происходит, температура элемента быстро приближается к точке плавления лития — и начинается бурная реакция с воспламенением выделяющихся газов. Так, например, большое количество литиевых аккумуляторов для мобильных телефонов, поставленных в Японию в 1991 году, было отозвано после нескольких случаев их воспламенения.

Из-за свойственной литию неустойчивости исследователи обратили свой взор в сторону неметаллических литиевых аккумуляторов на основе ионов лития. Немного проиграв при этом с плотностью энергии и приняв некоторые меры предосторожности при заряде и разряде, они получили более безопасные так называемые литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы.

Плотность энергии Li-ion аккумуляторов обычно в несколько раз превышает плотность стандартных NiCd и NiMH аккумуляторов. Благодаря применению новых активных материалов это превосходство ежегодно увеличивается. В дополнение к большой емкости Li-ion аккумулятор при разряде ведет себя аналогично никелевым аккумуляторам (форма их разрядных характеристик похожа и отличается лишь напряжением).

На сегодня существует множество разновидностей Li-ion аккумуляторов, причем можно долго говорить о преимуществах и недостатках того или иного типа, но отличить их по внешнему виду невозможно. Поэтому отметим только те достоинства и недостатки, которые свойственны всем типам этих устройств, и рассмотрим причины, вызвавшие появление на свет литий-полимерных (Li-Po) аккумуляторов.

Li-ion аккумулятор всем был хорош, но проблемы с обеспечением безопасности его эксплуатации и высокая стоимость привели учёных к созданию литий-полимерного аккумулятора (Li-pol или Li-po).

Основное их отличие от Li-ion отражено в названии и заключается в типе используемого электролита. Первоначально, в 70-х годах, применялся сухой твердый полимерный электролит, похожий на пластиковую пленку и не проводящий электрический ток, но допускающий обмен ионами (электрически заряженными атомами или группами атомов). Полимерный электролит фактически заменяет традиционный пористый сепаратор, пропитанный электролитом, благодаря чему они имеют гибкую пластиковую оболочку, имеют меньший вес, большую токоотдачу и могут быть использованы в качестве силовых аккумуляторов для устройств с мощными электродвигателями.

Такая конструкция упрощает процесс производства, характеризуется более высокой безопасностью и позволяет выпускать тонкие аккумуляторы произвольной формы. Минимальная толщина элемента составляет около одного миллиметра, так что разработчики оборудования свободны в выборе формы, очертаний и размеров, вплоть до внедрения его во фрагменты одежды.

Основные преимущества

• Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы при одинаковом весе превосходят по энергоемкости никелевые (NiCd и Ni-MH) аккумуляторы
• Низкий саморазряд
• Высокое напряжение единичного элемента (3.6-3.7V против 1.2V-1.4 у NiCd и NiMH), что упрощает конструкцию — зачастую аккумулятор состоит только из одного элемента. Многие производители применяют в различных компактных электронных устройствах (сотовые телефоны, коммуникаторы, навигаторы и пр.) именно такой одноэлементный аккумулятор
• Толщина элементов от 1 мм
• Возможность получать очень гибкие формы

Недостатки

• Аккумулятор подвержен старению, даже если он не используется и просто лежит на полке. По вполне очевидным причинам производители об этой проблеме умалчивают. Часы начинают тикать с того момента, как аккумуляторы произвели на заводе, и снижение емкости является результатом повышения внутреннего сопротивления, которое в свою очередь порождается окислением электролита. В итоге внутреннее сопротивление достигнет такого уровня, когда аккумулятор больше не сможет отдавать накопленную энергию, хотя ее в аккумуляторе будет достаточно.Через два или три года он часто становится непригодным к использованию.
• Более высокая стоимость по сравнению с NiCd и Ni-MH аккумуляторами
• При использовании литий-полимерных аккумуляторов, всегда есть риск их воспламенения, которое может случиться вследствие замыкания контактов, от неправильной зарядки, или механического повреждения аккумулятора. Так как температура горения лития очень высока (несколько тысяч градусов), то он может воспламенить рядом стоящие предметы и вызвать пожар.

Основные характеристики Li-Po аккумуляторов

Как было сказано выше, литий-полимерные аккумуляторы при одинаковом весе превосходят по энергоемкости NiCd и Ni-MH аккумуляторы в несколько раз. Срок службы современных Li-Po аккумуляторов, как правило, не превышает 400-500 циклов заряд-разряд. Для сравнения, срок службы современных Ni-MH аккумуляторов с низким саморазрядом составляет 1000-1500 циклов.

Технологии производства литиевых аккумуляторов не стоят на месте и названные выше цифры в любой момент могут потерять актуальность, т.к. производители аккумуляторов с каждым месяцем наращивают их характеристики за счёт внедрения новых технологических процессов их производства.

Из всего многообразия литий-полимерных аккумуляторов, имеющихся в продаже, можно выделить две основные группы - быстро-разрядные (Hi Discharge) и обычные . Отличаются они между собой максимальным разрядным током — его указывают или в амперах, или в единицах емкости аккумулятора, обозначаемой буквой «С».

Области применения Li-Po аккумуляторов

Применение Li-Po аккумуляторов позволяет решить две важные задачи — увеличить время работы устройств и снизить вес батареи

Обычные Li-Po аккумуляторы применяются в качестве источников питания в электронных устройствах с относительно небольшим токопотреблением (мобильные телефоны, коммуникаторы, ноутбуки и т.д.).

Быстро-разрядные литий-полимерные аккумуляторы часто называют «силовыми » — такие аккумуляторы применяются для питания устройств с высоким токопотреблением. Ярким примером применения «силовых» Li-Po аккумуляторов являются радиоуправляемые модели с электродвигателями и современные гибридные автомобили. Именно в этом сегменте рынка происходит основная конкурентная борьба различных производителей Li-Po аккумуляторов.

Единственная область, где пока литий-полимерные аккумуляторы уступают никелевым — это область супервысоких (40-50С) разрядных токов. По цене, в пересчете на емкость, литий-полимерные аккумуляторы стоят примерно столько же, сколько NiMH. Но в этом сегменте рынка уже появились конкуренты — (Li-Fe), технология производства которых развивается с каждым днём.

Зарядка Li-Po аккумуляторов

Заряд большинства Li-Po аккумуляторов осуществляется по достаточно простому алгоритму — от источника постоянного напряжения 4.20V/элемент с ограничением тока в 1С (некоторые модели современных силовых Li-Po аккумуляторов позволяют заряжать их током в 5С). Заряд считается завершенным, когда ток упадет до 0.1-0.2С. До перехода в режим стабилизации напряжения при токе в 1C аккумулятор набирает примерно 70-80% емкости. Для полной зарядки необходимо время около 1-2 часов. К зарядному устройству предъявляются достаточно жесткие требования по точности поддержания напряжения в конце заряда — не хужу 0,01 V/банку.
Из представленных на рынке зарядных устройств можно выделить два основных типа - простые, не «компьютерные» зарядники в ценовой категории 10-40$, предназначенные только для литиевых аккумуляторов, и универсальные зарядные устройства в ценовой категории 80-400$, предназначенные для обслуживания различных типов аккумуляторов.

Первые, как правило, имеют только светодиодную индикацию заряда, количество банок и ток в них выставляются перемычками или путём подключения аккумулятора к различным разъемам на зарядном устройстве. Достоинство таких зарядных устройств — низкая цена. Главный недостаток — некоторые из таких устройств не умеет правильно определять окончание заряда. Они определяют лишь момент перехода от режима стабилизации тока к режиму стабилизации напряжения, что составляет примерно 70-80% емкости.

У второй группы зарядников возможности намного шире, как правило, они все показывают напряжение, ток, и емкость в мАч, которую аккумулятор «принял» в процессе заряда, что позволяет более точно определять, насколько заряжен аккумулятор. При использовании зарядного устройства самое главное — правильно выставить на заряднике нужное количество банок в батарее и ток заряда, который, как правило, равен 1C.

Эксплуатация Li-Po аккумуляторов и меры предосторожности

Можно с уверенностью сказать, что литий-полимерные аккумуляторы самые «нежные» из существующих, т.е. требуют обязательного соблюдения нескольких несложных правил. Перечислим их в порядке убывания опасности:

1. Перезаряд аккумулятора — заряд до напряжения, превышающего 4.20V на банку
2. Короткое замыкание аккумулятора
3. Разряд токами, превышающими нагрузочную способность или приводящим к нагреву Li-Po аккумулятора cвыше 60°С
4. Разряд ниже напряжения 3V на банку
5. Нагрев аккумулятора выше 60ºС
6. Разгерметизация аккумулятора
7. Хранение в разряженном состоянии

Невыполнение первых трех пунктов приводит к пожару, всех остальных — к полной или частичной потере емкости

Из всего сказанного можно сделать следующие выводы:

• Чтобы не было пожара, надо иметь нормальный зарядник и правильно выставлять на нем число заряжаемых банок
• Необходимо также использовать разъемы, исключающие возможность короткого замыкания батареи и контролировать ток, потребляемый устройством, в котором установлен Li-Po аккумулятор
• Необходимо быть уверенным, что ваше электронное устройство,в котором установлен аккумулятор не перегревается. При +70ºС в аккумуляторе начинает идти «цепная реакция», превращающая запасенную им энергию в тепло, аккумулятор буквально растекается, поджигая все, что может гореть
• Если замкнуть почти разряженный аккумулятор, то пожара не будет, он тихо и мирно «умрет» из-за переразряда
• Следите за напряжением в конце разряда аккумулятора и обязательно отключайте его после работы
• Разгерметизация — так же причина выхода литиевых аккумуляторов из строя. Внутрь элемента не должен попадать воздух. Это может произойти при повреждении внешнего защитного пакета (аккумулятор запаян в пакет наподобие термоусадочной трубки) в результате удара, или повреждения острым предметом, или при сильном перегреве вывода аккумулятора при пайке. Вывод — не ронять с большой высоты и паять аккуратно
• Хранить аккумуляторы, судя по рекомендациям производителей, следует в заряженном на 50-70% состоянии, лучше в прохладном месте, при температуре не выше 30°С. Хранение в разряженном состоянии отрицательно сказывается на сроке службы. Как и у всех аккумуляторов, у литий-полимерных есть небольшой саморазряд.

Сборка Li-Po батарей

Для получения батарей с высокой токоотдачей или большой емкости используют параллельное соединение аккумуляторов. Если вы покупаете готовую батарею, то по маркировке можно узнать, сколько в ней банок и как они соединены. Буква Р (parallel) после числа обозначает количество соединенных параллельно банок, a S (serial) — последовательно. Например, «Kokam 1500 3S2P» обозначает батарею, соединенную последовательно из трех пар аккумуляторов, и каждая пара образована двумя параллельно соединенными аккумуляторами емкостью по 1500 мАч, т.е. емкость батареи будет 3000 мАч (при соединении параллельно емкость возрастает), а напряжение — 3,7V х 3=11,1V.

Если вы покупаете аккумуляторы отдельно, то перед соединением их в батарею нужно уравнять их потенциалы, особенно это касается варианта параллельного включения, так как при этом одна банка начнет заряжать другую и зарядный ток может превысить значение 1C. Желательно, все купленные банки перед соединением разрядить до 3V током около 0.1- 0.2С. Напряжение надо контролировать цифровым вольтметром с точностью не ниже 0.5%. Это обеспечит надежное функционирование батареи в будущем.

Выравнивание потенциалов (балансировку) также желательно проводить даже уже на собранных фирменных батареях перед их первым зарядом, так как многие фирмы, собирающие элементы в батарею, не балансируют их перед сборкой.

Из-за падения емкости в результате эксплуатации ни в коем случае нельзя добавлять новые банки последовательно старым — батарея будет при этом разбалансирована.

Конечно, также нельзя соединять в батарею аккумуляторы разных, даже близких емкостей — например 1800 и 2000 мАч, а также использовать в одной батарее аккумуляторы разных производителей, поскольку различное внутренне сопротивление приведет к разбалансировке батареи.

При пайке следует соблюдать аккуратность, нельзя допускать перегрева выводов — это может нарушить герметизацию и навсегда «убить» еще не поработавший аккумулятор. Некоторые Li-Po аккумуляторы поставляются с уже припаянными к выводам кусочками текстолитовой печатной платы для удобства распайки проводов. При этом добавляется лишний вес — около 1 г на элемент, зато греть места для припайки проводов можно гораздо дольше — стеклотекстолит плохо проводит тепло. Провода с разъемами следует закрепить на корпусе батареи, хотя бы скотчем, чтобы случайно не оторвать их при многократном подключении к зарядному устройству

Нюансы применения Li-Po аккумуляторов

Приведу еще несколько полезных примеров, вытекающих из ранее сказанного, но неочевидных на первый взгляд …

В течение долгой эксплуатации батареи ее элементы из-за изначального небольшого разброса емкостей становятся несбалансированными — какие-то банки «стареют» раньше других и теряют свою емкость быстрее. При большем числе банок в батарее процесс идет быстрее. Отсюда вытекает следующее правило — необходимо контролировать емкость каждого элемента батареи .

В случае обнаружения в сборке аккумулятора, ёмкость которого отличается от других элементов более, чем на 15-20%, рекомендуется отказаться от использования всей сборки, или из оставшихся аккумуляторов спаять батарею с меньшим количеством элементов.

Современные зарядные устройства имеют встроенные балансиры (balancer), которые позволяют заряжать все элементы в батареи отдельно под чётким контролем. Если зарядное устройство не оборудовано балансиром, то его необходимо приобрести отдельно и заряд аккумуляторов желательно производить с его использованием.

Внешний балансир — это небольшая плата, подключаемая к каждой банке, содержащая нагрузочные резисторы, схему управления и светодиод, показывающий, что напряжение на данной банке достигло уровня 4.17-4.19V. При превышении напряжения на отдельном элементе порога в 4.17V балансир замыкает часть тока «на себя», не позволяя напряжению превысить критический порог.

Следует добавить, что от переразряда некоторых банок в разбалансированной батарее балансер не спасает, он служит только для защиты от повреждения элементов при заряде и средством определения «плохих» элементов в батарее.

Вышесказанное относится к батареям, составленных из трех элементов и более, для двух-баночных батарей балансиры, как правило, не применяют

По многочисленным отзывам, разряд литиевых аккумуляторов до напрряжения 2.7- 2.8V более губительно сказывается на емкости, чем, например перезаряд до напряжения 4.4V. Особенно вредно хранить батарею в переразряженном состоянии.

Существует мнение, что литий-полимерные аккумуляторы нельзя эксплуатировать при отрицательных температурах. Действительно, в технических характеристиках на батареи указан рабочий диапазон 0-50°С (при 0°С сохраненяется 80% емкости аккумулятора). Но тем не менее, использовать Li-Po аккумуляторы при отрицательных температурах, около-10…-15°С, можно. Дело в том, что не нужно перед использованием морозить батарею — положите ее в карман, где тепло. А в процессе использования внутреннее выделение тепла в аккумуляторе оказывается в данный момент полезным свойством, не позволяя батарее замерзнуть. Конечно, отдача аккумулятора будет несколько ниже, чем при нормальной температуре.

Заключение

Учитывая, какими темпами двигается технический прогресс в области электрохимии, можно предположить, что будущее за литиевыми технологиями накопления энергии, если их не догонят топливные элементы. Поживем - увидим…

В статье использованы материалы статей Сергея Потупчика и Владимира Васильева