Ładowanie akumulatorów

Cześć, ulepszyłeś właśnie swoją wkrętarkę z ogniw NiCd lub NiMH do Li-Ion? Nie wiesz czy można ładować je przy użyciu ładowarki, którą dostałeś w zestawie? A może masz stary prostownik na 12V i chciałbyś go jakoś wykorzystać. Odpowiedzi na nurtujące Cię pytania znajdziesz najprawdopodobniej w tym artykule.

Co dzieję się w trakcie ładowania?

Podłączając ładowarkę, prostownik, zasilacz do sieci a następnie do akumulatora, pakujemy w niego ładunki. (Cały proces bardzo dokładnie omówię w artykule – jak działa bateria) Sposób, w który to robimy nie jest obojętny. Zależy on ściśle od tego z jakim akumulatorem mamy do czynienia. Znając podstawową fizykę baterii, o której rozprawiałem w jednym z artykułów, od razu możemy zauważyć, że decydującymi parametrami będą prąd oraz napięcie ładowania. Chciałbym powiedzieć o kilku sposobach ładowania, które są charakterystyczne dla poszczególnych rodzajów akumulatorów.

Niezależnie od tego czy mamy do czynienia z akumulatorem żelowym czy jakimkolwiek bezobsługowym (np. z samochodu), kupiliśmy właśnie nowe akumulatory LiPo, Li-Ion czy NiMH musimy mieć pojęcie jak je ładować aby nie doszło do żadnych uszkodzeń prowadzących do awarii.

To co musimy znać w trakcie ładowania każdego akumulatora to:

• Napięcie ładowania
• Prąd ładowania
• Ilość ogniw w baterii

Warto jest mieć pojęcie na temat:

• Napięcie nominalne ogniwa
• Napięcie maksymalne i minimalne
• Pojemność akumulatora

Jest tego dużo ale to nie koniec, w wypadku akumulatorów Li-Ion nie wystarczy znać ww. parametrów trzeba mieć również urządzenie, które będzie je zmieniało w czasie. Natomiast bez obaw postaram się to wszystko opisać jasno i przejrzyście

Li Ion , Li Polymer

---

Lekkie, piękne, pojemne, uniwersalne, wydajne a zarazem piekielnie drogie i niebezpieczne. Wszystko w jednym zdaniu na temat tej technologii. (Dane z dnia 19.09.2016) I módlmy się aby ten artykuł stał się nieaktualny. Wybuchające telefony, laptopy, e-papierosy chcemy tego uniknąć a zarazem korzystać z dobrodziejstw tej technologii. Jak? Co to CC/CV? Co to LiHV? Odpowiedzi znajdziecie poniżej.

Pojemności akumulatorów, napięcie nominalne oraz napięcia ładowania sprawdzamy korzystając z kart katalogowych producentów. Dla akumulatorów 18650 Li-Ion możemy się spodziewać:

3.6V lub 3.7V lub 3.8V(LiHV) lub 3.85V(LiHV) Napięcia nominalnego.

4.1V lub 4.2V lub 4.25-.30V lub 4.35V Napięcia ładowania.

Pojemności od (Ultrafire)500mAh – 3400mAh(Panasonic).

Tak duże rozbieżności w napięciach, pojemnościach spowodowane są tym, że technologia Litowa jest wciąż nowa i producenci akumulatorów bardzo eksperymentują aby wycisnąć z nich ostatnie poty tak aby miały jak największą pojemność i jak największa możliwą liczbę cykli.

Jak ładować ?

Prąd ładowania opisany jest w karcie katalogowej. Musimy wiedzieć, że w temperaturze pokojowej – im mniejszy tym lepszy. Dlaczego mówie tu o temperaturze? Odgrywa ona ogromną rolę w żywotności Litówek. Zbyt niska (poniżej 5’C) lub zbyt wysoka (powyżej 25-35’C) powoduje, że ogniwa zużywają się szybciej – tracą pojemność lub po prostu przestają działać jak telefon na mrozie.

Napięcie ładowania jest również opisane w karcie katalogowej. Powiem natomiast o najczęściej spotykanych akumulatorach 3.7V. Napięcie ładowania w tym wypadku wynosi 4.2V. O co chodzi z odchyleniami +/-1% w artykule “Dlaczego akumulatory umierają”, opisałem to rozlegle. Powyżej 4.08V zaczynają zachodzić nieciekawe reakcje które powodują degradację akumulatora zmniejszając jego pojemność. Dlatego tak ważne jest aby nie przeładowywać akumulatora i ładować go odpowiednim napięciem.

Pojawiają się na rynku akumulatory LiHV skrót pochodzi od angielskiego Lithium High Voltage. Zmiana niektórych komponentów daje możliwość ładowania akumulatorów litowych do napięć 4.3 lub 4.35V. Często spotyka się te rozwiązania w smartfonach lub tabletach. Pozawala to na zmieszczenie większej ilości ładunku przy jednoczesnym nieprzeładowywaniu ogniwa. Wymaga zastosowania innego rodzaju ładowarek.

CC/CV

Ok, dochodzimy do meritum. Co się dzieje jak ładujemy akumulator litowo-jonowy. Jak sprawdzić/oszacować poziom naładowania. Pod tajemniczym CC kryję sie angielski odpowiednik Constant Current – Stały prąd, natomiast CV znaczy tyle co Constant Voltage – Stałe napięcie. Jest to najpowszechniejszy najbardziej znany trzyb ładowania akumulatora występujący również w akumulatorach żelowych. Przedstawmy to na wykresie w celu lepszego zobrazowania zjawiska.

Na czerwono zaznaczony jest prąd na niebiesko zaznaczone jest napięcie. Szybko można zauważyć, że na początku prąd jest stały (CC), następnie powoli opada(CV). O co chodzi? Lejemy wodę do wiadra. Póki wiadro jest puste walimy ile wlezie (CC) Prąd wtedy jest maksymalny. Chcąc nalać po brzegi, widząc że powoli zaczyna się dopełniać, zmniejszamy prąd i lejemy powoli. Przepraszam jeżeli kogokolwiek uraziłem tym infantylnym porównaniem, ale to jest właśnie to, co widzi nasza ładowarka o działaniu dwu etapowym CC/CV.

Czym jest taka ładowarka? W rzeczywistości jest to zwykły zasilacz ograniczony prądowo. Ustalamy prąd(CC) i napięcie(CV) i zasilacz nigdy nie przekroczy zadanych mu wartości i naładuje do pełna nasz akumulator.

Napięcie w tym wypadku jest wyznacznikiem naładowania akumulatora.]

Zanim przejdę do innych chemii, chciałbym jeszcze krótko porozmawiać o niebezpieczeństwach. 99% zdarzeń niebezpiecznych związanych z akumulatorami Litowo-jonowymi polega na wzroście temperatury. Wzrost temperatury najczęściej pojawia się w trakcie:

• Zbyt dużego poboru prądu w skrajnych przypadkach zwarcia
• Ładowania zbyt dużym prądem lub napięciem
• Uszkodzenia mechanicznego obudowy akumulatora

W pierwszym przypadku mamy do czynienia ze wzrostem temperatury akumulatora co prowadzi do wydzielania się gazów na wskutek wzrostu temperatury elektrolitu. Może dojść do rozszczelnienia lub rozerwania akumulatora generując granat odłamkowy z części nagrzanych do bardzo wysokich temperatur. Konsekwencje trzymania takiego akumulatora w ręku lub kieszeni zostawiam wyobraźni czytelników.

W drugim wypadku może zdarzyć się to samo. Tym razem na stoliku nocnym przy naszej głowie lub na biurku koło papierów.

Ostatni z przypadków podlega dyskusji ponieważ zostały już stworzone akumulatory litowe które po przedziurawieniu czy podpaleniu mają się świetnie. Powiem natomiast o znaczącej większości, która raczej nie lubi być dziurawiona. Lit to jeden z najbardziej aktywnych pierwiastków. W kontakcie z powietrzem, naukowo mówiąc zaczyna się utleniać. Mówiąc gwarą kowalskiego – palić. Dziura powoduje samozapłon lub wzrost temperatury i ucieczkę gazów. Akumulatorów nie warto przedziurawiać no chyba, że skończyły nam się zapałki a chcemy rozpalić ognisko w lesie deszczowym i mamy na nazwisko Grylls.

Podsumowując, ładujemy nasze akumulatory specjalnymi ładowarkami lub zasilaczami które mają ograniczenia prądowe zgodne z  zaleceniami producenta. Nie ładujemy ich pod poduszką – utrzymujemy temperaturę około 20’C.  A nagrzewające się akumulatory wyrzucamy.

Baterie stworzone z ogniw Li-Ion Li-Po wymagają balansera przy połączeniach szeregowych. Dlaczego? Opiszę to szczegółowo w osobnym artykule.

Akumulatory Kwasowo-Ołowiowe

---

Tak na tym portalu również wzmianka o tych prehistorycznych tworach. Pojedyncze ogniwo jest rzadko spotykane, zazwyczaj mamy do czynienia z akumulatorami bezobsługowymi lub żelowymi o napięciu “12V” a dokładniej…

Napięcie znamionowe pojedynczego ogniwa to 2.105V, w akumulatorze samochodowym mamy 6 takich ogniw co daje 12.63V napięcia znamionowego. Pojemność takiego akumulatora to np. 72Ah.

Jak je ładować ?

Każdy majster powie – “Panie weź PROSTOWNIK”, no dobrze ale czym jest ten prostownik. Jest to termin który się przyjął ze względu na ogólną powszechność prostownika samochodowego. Chodzi tutaj dokładniej o zasilacz stało-napięciowy ograniczony prądowo.

Jak działa prostownik-samochodowy ?

Bierzemy 230V napięcia zmiennego z gniazdka, robimy z tego 13.9-14.5V napięcia stałego, następnie stawiamy sobie limit np. 7,2A na wyjściu i już mamy narzędzie do ładowania naszego akumulatora samochodowego.

Reguły kciuka

Jest parę takich reguł w trakcie ładowania tychże akumulatorów, pierwszą z nich jest ograniczenie prądowe do około 10% pojemności na godzinę. Czyli np w wypadku 72Ah ładujemy prądem 7,2A. Drugą z reguł jest napięcie końcowe. Nie chcemy przeładować naszego akumulatora – gdyż w trakcie końcowej części wydziela się tlen i wodór pod wpływem przepływu prądu w wodnym elektrolicie. NIGDY NIE ODŁĄCZAJ PROSTOWNIKA PRZED ODŁĄCZENIEM GO Z SIECI. Wydzielają się wtedy iskry i może być niebezpiecznie. Mówi się że napięcie przeładowania to napięcie większe niż 14.4V.

Czy można prostownikiem samochodowym ładować baterie Li-Ion?

NIE.

Akumulatory NiMH i NiCd

---

Postanowiłem połączyć te 2 rodzaje akumulatorów w jeden wspólny temat.

Zacznijmy od charakterystyki ładowania tych akumulatorów oraz ich podstawowych właściwości.

Podstawowe właściwości NiMH , NiCd

Napięcie nominalne 1.2V

Napięcie ładowania zmienne w czasie

I tu już się pojawia pierwszy problem. Ustalenie napięcia jest niemożliwe w wypadku akumulatorów niklowych. Ładowanie odbywa się w nieco inny sposób niż w wypadku akumulatorów LiIon czy Pb. Zobaczmy krzywe ładowania.

Na osi odciętych mamy czas, na osi rzędnych napięcie akumulatora. Jak widać na wykresie NiMH oraz NiCd mają bardzo podobną charakterystykę ładowania dla początkowej fazy ładowania. Po osiągnięciu około 80% pojawia się nagły spadek napięcia na akumulatorze dla NiCd jest on znacznie większy. Temperatura w tym wypadku jest niesamowicie istotnym czynnikiem. Po osiągnięciu 80% temperatura ogniwa zaczyna znacząco wzrastać.

Jak ładować ?

Przede wszystkim należy używać inteligentnej ładowarki, w tym wypadku zasilacz laboratoryjny to raczej zły pomysł. Jak taka inteligentna ładowarka działa? Jest kilka sposobów według których powinno ładować się akumulatory Niklowe.

1 -ΔV

Minus delta voltage (ang. ujemna różnica napięcia). Jest to bardzo popularny sposób ładowania akumulatorów. Jak widać na rysunku po osiągnięciu pewnego pułapu zazwyczaj 75-85% naładowania zaczyna powoli spadać napięcie. Jest to znak dla ładowarki, że ogniwo jest już naładowane lub bliskie pełnego naładowania. Czasem w wypadku ogniw NiMH czynnik ten jest praktycznie niezauważalny i sama detekcja napięcia nie wystarcza aby mówić o pełnym naładowaniu. Wykres w tym wypadku “wypłaszcza się” i bez odcięcia prądu może skończyć się przeładowaniem – uszkodzeniem ogniwa

2 ΔT

Zmiana temperatury, to jeden z kolejnych czynnikówm które wskazują nam w pewien sposób poziom naładowania ogniwa. Jak widać na wykresie – zbliżając się coraz bliżej do 100’C temperatura ogniwa zaczyna gwałtownie wzrastać. Pomiar temperatury nie jest niestety wystarczający. Zależy on oczywiście ściśle od temperatury otoczenia, dlatego ta metoda jest używana tylko w najtańszych ładowarkach NiMH. Lekkie usprawnienie tej metody pozwala na otrzymanie zdecydowanie lepszych wyników.

3 ΔT/ Δt

Czyli małe udoskonalenie metody #2. Mierzymy w tym wypadku przyrost temperatury w określonym czasie. Z wykresu odczytujemy, że wzrost temperatury jest tym bardziej gwałtowny im bardziej zbliżamy się do 100% naładowania. Stąd po przekroczeniu pewnego progu przyrostu temperatury w czasie(np. 1’C/60s), ładowarka odcina prąd. Ale czy oby na pewno wszystkie ładowarki tak działają?

Turbosztuczki wykorzystywane w ładowarkach.

Baterie Niklowe wg. ich producentów powinny być ładowane zazwyczaj przez noc lub przez cały dzień – w skrócie – bardzo długo. Polecany przez nich prąd ładowania to C/10h. Co jeżeli akumulator jest naładowany do 70% a my włączymy ładowanie na 10h i oczekujemy w pełni naładowanego akumulatora po odłączeniu ładowarki? Przez około 6-7 godzin akumulator musi zostać w jakiś sposób “podtrzymywany” na pełnej pojemności. Zanim nie powstały akumulatory LSD NiMH i nie mam tutaj na myśli akumulatorów na środkach odurzających a akumulatory Low Self Discharge, które na rynek zostały wprowadzone przez SANYO w 2005 roku. Problem był niebagatelny. Producenci wpadli na pomysł aby utrzymywać je np prądem C/300 aby uniknąć efektów samo-rozładowania. Nazwano ten proces “Trickle charging”. Firma Panasonic natomiast wprowadziła pulsacyjne ładowanie gdy tylko napięcie spadnie poniżej 1.3V.

 

Jak widać ładowanie tych ogniw nie należy do najłatwiejszych dlatego nie znajdują się one w dzisiejszych sprzętach elektronicznych i szybko zostają wypierane przez akumulatory Li-Ion. Użytkowanie Li-Ion’ów jest zdecydowanie prostsze. Jest to natomiast moja subiektywna opinia i nie koniecznie musisz czytelniku się z nią zgadzać. 🙂

 

Akumulatory LiFePO4

---

Litowo-żelazowo-fosforanowe (ang. Lithium iron phosphate) akumulatory, ich zalety opisywałem w artykule “Struktura chemiczna 18650”. Są to świetne akumulatory charakteryzujące się długą żywotnością małą pojemnością i stabilnym napięciem rozładowania.

Podstawowe parametry

• Napięcie nominalne : 3.2V
• Napięcie operacyjne : 3.0~3.3V
• Napięcie rozładowania : 2.5V
• Napięcie max. ładowania : 3.65V

W tym miejscu należałoby zrobić Ctrl+C , Ctrl+V. Czyli zaimplementować metode Copy’ego Pasty z baterii Litowo Jonowych. Proces ładowania CC-CV. Warto powiedzieć, że akumulatory LiFePO4 nie wymagają ładowania do 3.65V aby uzyskać maksymalny poziom naładowania – 100%. Zejście do napięcia 3.5V skutkuje spadkiem pojemności do 95%C. Jest zatem zdecydowanie bezpieczniej. Ładowanie nie wymaga tak dużej precyzji gdyż nie tracimy zbyt wiele oscylując miedzy 3.6 a 3.5V.

Akumulatory tak samo jak Li-Ion wymagają balansera przy połączeniach szeregowych.

---

Ten artykuł miał odpowiedzieć na często zadawane pytanie: “Czy można ładować akumulatory Li-Ion ładowarkami do NiCd NiMH i vice versa?” Odpowiedz po przeczytaniu tego artykułu nasuwa się sama. Są to inne struktury chemiczne. Procesy ładowania wyglądają inaczej lub napięcia ładowania są inne. Byłoby skrajnie nieodpowiedzialnym zachowaniem, ładowanie 12V pakietu LiIon ładowarką do NiCd. Ale oczywiście nie mówie że jest to nie możliwe :). Decyzję pozostawiam wam. O konsekwencjach mówić nie zamierzam. Dziękuje za wytrwałość i czas poświęcony na przeczytanie tego artykułu.

[sgmb id=”1″]