li power аккумуляторы что это
Руководство по перезаряжаемым литиевым аккумуляторам для начинающих
Когда-то аккумуляторы были тяжёлыми и неуклюжими предметами, выдававшими смехотворно мало энергии для своего размера и веса. К счастью, со временем технологии улучшаются, и в 2020 году у нас есть прекрасные мощные литий-полимерные аккумуляторы, выдающие столько энергии, сколько может понадобиться вашему мобильному проекту. Однако при их использовании нужно учесть некоторые моменты – поэтому предлагаю вам прочесть руководство для начинающих о том, как правильно использовать LiPo в своём проекте.
Так много типов!
Первые коммерческие литий-ионные аккумуляторы вышли на рынок в 1991 году, и за прошедшие с тех пор почти 30 лет мы наблюдали быстрый их прогресс. В итоге у нас появилось множество различных технологий и типов аккумуляторов, делящихся по типу конструкции и используемых материалов. Чтобы правильно обращаться с аккумуляторами, важно знать, какой именно тип попал к вам в руки, и очень важно обратить на это внимание.
Литий-ионные элементы форм-фактора 18650 из ноутбука. Подобные наборы обычно соединяются точечной сваркой никелевых полосок.
Обычно литий-ионными, или Li-ion аккумуляторами называют всю технологию перезаряжаемых литиевых батареек целиком, однако часто так называют традиционные элементы с цилиндрическим металлическим корпусом. Один из вариантов – многоуважаемые 18650, однако вообще их существует множество вариантов и размеров. Их крепкие корпуса сделали их популярными для использования в средствах передвижения, так как последние испытывают значительные физические нагрузки.
Литий-полимерными, или Li-Po называют литий-ионные батарейки, использующие полимерный электролит вместо жидкого. Благодаря этому их можно делать в виде ёмкостей различной формы. Такая гибкость делает их полезными для таких применений, как смартфоны и планшеты, где требуется аккумулятор большой ёмкости и плоской формы. Также их часто используют в радиоуправляемых моделях, поскольку их небольшой вес даёт существенное преимущество летающим аппаратам.
Литий-полимерные пакетные аккумуляторы для использования в радиоуправляемых моделях.
Lithium-HV, или литиевые аккумуляторы высокого напряжения – это литий-полимерные батарейки, использующие специальную кремний-графеновую добавку на плюсовой клемме, благодаря которой она не повреждается высоким напряжением. Если заряжать большинство литиевых аккумуляторов до напряжения выше 4,2 В, они значительно потеряют в ёмкости, а их срок службы будет заметно уменьшаться. Используя эту добавку, можно заряжать элементы до 4,32 В без подобных негативных последствий. Повышение напряжения даёт примерно 10% прибавку к плотности энергии по сравнению с обычными литий-полимерными аккумуляторами.
Уважайте границы
Ошибка может привести к неприятным результатам
По сравнению с большинством типов аккумуляторов, литиевые элементы плохо переносят неправильное обращение. Разряд ниже нижнего предела приводит к формированию медных дендритов, из-за чего у них уменьшается ёмкость и может произойти короткое замыкание. Перезаряд может привести к повреждению анода отложениями лития, из-за чего могут образоваться литиевые дендриты, что часто приводит к короткому замыканию или самоподдерживающейся реакции с выделением тепла – аккумулятор начинает дымиться и гореть. Также каждый элемент в группе нужно поддерживать на том же уровне напряжения, что и все его соседи, чтобы элементы не слишком быстро деградировали.
При выходе за указанные пределы в лучшем случае вы просто убьёте аккумулятор, в худшем случае он загорится и взорвётся. Кроме того, эти элементы подвержены раздуванию, выделению газа, да и вообще кажутся не очень удобными в работе. Может показаться, что иметь с ними дело чересчур сложно. К счастью, современная электроника научилась справляться с их проблемами. Правильное оборудование и меры предосторожности дают возможность использовать литиевые аккумуляторы безопасно и эффективно. Однако все, кто работает с ними, должны уяснить себе потенциальные опасности. Боб Бэддели в прошлом ноябре опубликовал отличную статью на эту тему.
Работа с аккумуляторами
В случае использования отдельных элементов или их групп, к примеру, при использовании LiPo аккумуляторов в радиоуправляемых моделях, достаточно просто использовать специальное зарядное устройство для литиевых аккумуляторов. При зарядке нужно подключать провода для проверки балансировки [позволяют измерять напряжение на каждом из элементов по отдельности / прим. перев.], особенно если батарея разрядилась полностью. Наибольшей эффективности в работе батарей можно добиться при использовании умных зарядных устройств (особенно в случаях с LiFePO4 и элементами высокого напряжения). Убедитесь, что у вас есть способ остановить разрядку батарей в случае слишком сильного понижения напряжения – будь то предупреждающий световой индикатор, звуковой сигнал или просто автоматическое отключение.
Подобные модули отлично подходят для интеграции литиевых аккумуляторов в прототип
Если вашему устройству требуется интегрированный аккумулятор, вам подойдут специальные платы защиты и заряда. Существуют готовые модули и интегральные схемы, позволяющие без проблем контролировать работу литий-ионных батарей. В принципе их множество – от тех, которые просто разрывают контур при понижении напряжения, до комплексных решений по зарядке и защите. Такие компании, как Adafruit, продают модули, которые отлично подойдут для начинающих любителей электроники, желающих интегрировать удобное решение по заряду и контролю аккумуляторов без необходимости проектировать платы самостоятельно. Однако существуют открытые решения, которые будет легко интегрировать в собственную плату в будущем.
Система управления батареей (BMS) для аккумуляторов из 12 элементов, способного выдавать до 60 А.
Для более крупных проектов с самостоятельно собранными батареями хорошо подойдут системы управления батареей (BMS). BMS, по сути, не сильно отличается от микросхемы защиты, она просто разработана для более крупных задач. BMS обычно используется для аккумуляторов, состоящих из десятка или более элементов, и часто в таких проектах, как электровелосипеды и другие средства передвижения. BMS паяется непосредственно к аккумуляторам, и подсоединяется к каждому элементу в отдельности [к группе элементов, соединённых параллельно / прим. перев.]. Её задача – балансировка элементов, ограничение тока разрядки для безопасности, управление процессом зарядки. Опытные сборщики батарей часто интегрируют BMS в корпус или кожух самого аккумулятора, оставляя снаружи только коннектор. Это позволяет пользователю просто добавить готовый аккумулятор в свой проект, не беспокоясь о защите.
Если вашему проекту необходима особая устойчивость к воздействию окружающей среды, вам также придётся отслеживать температуру аккумулятора. Отслеживать температуру ячеек, в особенности во время зарядки – отличный способ защитить аккумулятор от повреждения. У лучших чипов и BMS есть функция отслеживания температуры. На таком уровне сборки вы уже будете делать батарею самостоятельно, внедряя термопары в нужные места во время сборки. Для аккумуляторов, выдающих большие токи, температуры нужно отслеживать в обязательном порядке. Практически во всех электровелосипедах и электромобилях есть оборудование для отслеживания температуры аккумуляторов и управляющих систем.
Литий-ионные батарейки могут быть опасными, но при правильном использовании они достаточно безопасны для большинства проектов. Главное – использовать правильное оборудование, чтобы убедиться, что вы не выйдете за пределы диапазонов напряжения и температуры, иначе может случиться беда. Надеюсь, что данная инструкция поможет вам в поисках информации по включению литиевых аккумуляторов в свой проект.
Как выбрать портативный аккумулятор
К сожалению, решить эту задачу частенько пытаются за счет емкости аккумулятора. Многие современные смартфоны держат заряд буквально сутки, даже будучи только «из коробки».
И рано или поздно возникает момент, когда вам нужно сделать важный звонок, или вы ждете важного звонка, или нужно срочно получить важную информацию из Интернета, или… а телефон показывает 0% заряда и выключается. Хорошо, если зарядка под рукой, и поблизости есть розетка, а если нет?
Спасательным кругом в такой ситуации станет портативный аккумулятор (power bank).
Недостаток портативного аккумулятора в том, что он вносит дополнительные сложности в нашу и без того загруженную заботой о разных гаджетах жизнь: его надо вовремя подзаряжать, не забывать класть в сумку или рюкзак; в кармане носить его неудобно – тяжелый и т.д.
В продаже есть смартфоны с аккумулятором большой емкости, держащим заряд несколько дней и даже недель.
Но, во-первых, для многих моделей смартфонов просто нет аналогов с большими аккумуляторами.
Во-вторых, «долгоживущие» смартфоны тяжелы и габаритны.
В-третьих, наличие аккумулятора большой емкости не дает гарантии, что вы однажды не окажетесь «в чистом поле» с разряженным телефоном в руках. Даже наоборот – долгий срок работы на одной зарядке у таких моделей дает ложное ощущение «вечного» заряда и выключаются они как-то совсем неожиданно.
Портативный аккумулятор имеет и некоторые плюсы перед встроенным, кроме того, что он сохраняет малый вес смартфона:
— им можно заряжать не только смартфоны, но и другие мобильные устройства с питанием от USB
— некоторые модели имеют дополнительный функционал: фонарик, солнечную батарею, кард-ридер и т.д., что значительно расширяет сферу их применения.
Характеристики портативных аккумуляторов
Емкость портативного аккумулятора – его главный параметр, в первую очередь определяющий его привлекательность и цену. Чем больше емкость аккумулятора, тем большее количество раз он сможет полностью зарядить смартфон или другой гаджет.
Но, прежде чем покупать аккумулятор на несколько десятков тысяч мАч, следует оценить, действительно ли такая емкость будет востребована.
Если аккумулятор нужен только для того, чтобы иметь возможность воспользоваться внезапно «севшим» телефоном в критической ситуации, то хватит аккумулятора минимальной емкости – такой будет и легче, и удобнее в обращении, и значительно дешевле.
Если же аккумулятором планируется пользоваться в путешествиях, лучше взять повербанк с емкостью, которой будет достаточно для нескольких полных зарядов смартфона.
А если аккумулятором планируется заряжать не только смартфон, но и другие гаджеты – вплоть до ноутбука, то здесь уже никакая емкость лишней не будет.
При подборе емкости следует не упускать из виду один важный момент: далеко не вся емкость портативного аккумулятора способна «перейти» в батарею заряжаемого гаджета.
Приведенное на корпусе повербанка число – это номинальное значение. Такую емкость выдадут его элементы при их разряде номинальным током. А в реальной же эксплуатации токи разряда намного выше, плюс еще зачастую разряд производится при напряжении, превышающим номинал элементов, из которых собран аккумулятор – и на преобразовании также теряется часть энергии.
Плюс нельзя забывать о том, что литий-ионные аккумуляторы (из которых состоит большинство портативных аккумуляторов) «не любят» полных разрядов – часть заряда следует оставлять в аккумуляторе, иначе он быстро выйдет из строя.
С учетом всех этих особенностей, рабочая емкость аккумулятора – та, которую он может передать заряжаемым устройствам – составляет 60-70% от номинальной. И чем большим током и напряжением производится заряд, тем этот процент меньше.
Выходное напряжение следует подбирать исходя из характеристик заряжаемого устройства.
Выходное напряжение 3,7 (3,8) В можно использовать для зарядки большинства аккумуляторных элементов, номинал которых составляет как раз 3,7 В. Причем таким напряжением элементы можно заряжать напрямую, без контроллера зарядки.
Преимущество повербанков с выходным напряжением в 3,7 вольт в том, что их КПД немного выше за счет отсутствия преобразования выходного напряжения.
А минус в том, что их универсальность ограничена – стандартное напряжение питания на разъеме USB (которым оснащено большинство таких аккумуляторов) составляет 5 В, и если вы попытаетесь зарядить с его помощью устройство, контроллер зарядки которого требует именно 5 В, то устройство просто откажется заряжаться.
Выходное напряжение 5 В – стандарт питания разъема USB, через который сегодня производится зарядка большинства мобильных устройств. Неудивительно, что это выходное напряжение – наиболее распространенное на портативных аккумуляторах и наиболее универсальное. Любое устройство с зарядкой от USB просто обязано заряжаться от разъема с питанием 5 В.
Выходные напряжения 9, 12, 16, 19 и 20 В на отдельном разъеме предназначены для заряда более «габаритных» мобильных устройств, чаще всего – ноутбуков и планшетов.
Обычно величина напряжения на разъеме выставляется кнопкой на корпусе повербанка, а подключение к заряжаемому устройству производится с помощью соответствующего переходника.
Перед зарядкой устройств с помощью такого аккумулятора следует тщательно убедиться, что напряжение выставлено правильно и переходник установлен соответствующий – иначе возможно повреждение заряжаемого устройства. Совсем не лишним для такой модели будет наличие дисплея, на котором отображается напряжение зарядки.
Бывает также, что выходные напряжения больше 5 В приведены в характеристиках аккумулятора, имеющего только USB выходные разъемы. Стандарт USB 3.1 допускает напряжение питания до 20 В – но устанавливается это напряжение только автоматически и только после того, как заряжаемое устройство «сообщит» зарядке, что готово принимать повышенное напряжение.
Если же на аккумуляторе напряжение питания USB можно выставить вручную, то от такого повербанка лучше отказаться – риск «сжечь» заряжаемое устройство слишком велик.
Сила тока (выход). Сила тока определяет пригодность аккумулятора для зарядки планшетов и ноутбуков (многие из них требуют токов зарядки от 2 до 4 А) и также показывает, как быстро повербанк может зарядить телефон.
Аккумулятор с максимальным выходным током в 0,5 А будет заряжать смартфон вдвое дольше, чем аккумулятор с током в 1 А. Если смартфон способен заряжаться током в 2А, то время заряда (от соответствующего аккумулятора) уменьшится еще вдвое.
При этом не стоит бояться «сжечь» смартфон повышенным током зарядки – у всех современных телефонов контроллер ограничивает ток зарядки до оптимальной величины.
Преимущество у повербанка с низким выходным током одно – такой режим разряда благоприятнее для аккумулятора и рабочая емкость его будет выше, чем у повербанка с аналогичной номинальной емкостью, но высоким выходным током.
Поддержка быстрой зарядки. Многие современные гаджеты способны ускорить время зарядки на 40-50% за счет использования возможностей USB 3.1 по изменению напряжения и тока питания.
В режиме быстрой зарядки контроллер следит за параметрами заряжаемого аккумулятора и выставляет на разъеме напряжение и ток, оптимальные для ускорения заряда. Разные производители используют различные стандарты быстрого заряда, и, если вам важна эта функция, перед покупкой аккумулятора убедитесь, что он поддерживает тот же режим быстрой зарядки, что и ваш смартфон.
Совместимость. Большинство портативных аккумуляторов универсальны и подходят для зарядки любого гаджета с соответствующим разъемом. Но если вы хотите быть уверены, что аккумулятор имеет нужный разъем и поддерживает все режимы зарядки вашего гаджета – выбирайте среди совместимых с ним моделей.
Тип аккумулятора. Литий-ионные (li-ion) аккумуляторы набраны из типовых элементов (выглядящих, как пальчиковые батарейки), они относительно недороги, но подвержены саморазряду и сильно греются при повышенных токах.
Литий-полимерные аккумуляторы обладают большей емкостью, безопаснее, но и дороже.
Выходные разъемы на корпусе используются для зарядки устройств, выбирать аккумулятор желательно с теми разъемами, которые могут вам потребоваться.
Большинство устройств если и не заряжаются напрямую от USB, то имеют переходник на него, поэтому выходной разъем USB является наиболее распространенным. Часто встречается также миниатюрный вариант этого разъема – microUSB.
В последнее время все большее распространение получает разъем USB Type-C – многие устройства с поддержкой быстрой зарядки имеют именно такой разъем зарядного устройства.
Ну и нельзя забывать о устройствах фирмы Apple, традиционно избегающей общепринятых стандартов: если вы – владелец iPhone или iPad, для зарядки вам потребуется портативный аккумулятор с соответствующим выходным разъемом – apple 30-pin или apple Lightning.
Входные разъемы на корпусе используются для зарядки самого аккумулятора. Некоторые аккумуляторы имеют собственный блок питания с отдельным разъемом, большинство заряжается от того же USB/microUSB.
Владельцам техники Apple может оказаться удобнее аккумулятор, использующий для зарядки разъем Lightning – такой аккумулятор можно заряжать штатной зарядкой Apple.
Число USB-портов больше 1, может быть полезным, если вы планируете заряжать одновременно несколько устройств.
Но имейте в виду, что аккумулятор, скорее всего, не сможет держать максимальный выходной ток на всех разъемах. Выходной ток аккумулятора «делится» на используемые разъемы: если к аккумулятору с максимальным выходным током 2 А подключить два устройства одновременно, каждое из них получит только по 1А.
Варианты выбора портативных аккумуляторов
Если вам нужно недорогое и компактное устройство, которое поможет вам воспользоваться неожиданно разрядившимся телефоном, выбирайте среди бюджетных моделей небольшой емкости – пусть полностью зарядить ваш смартфон такая и не сможет, но без связи в критический момент вы не останетесь.
Если ваш смартфон поддерживает режим быстрой зарядки, и вы хотите, чтобы от портативного аккумулятора зарядка тоже шла побыстрее, выбирайте среди моделей с поддержкой быстрой зарядки.
Чтобы иметь возможность полностью зарядить аккумулятор смартфона 1-2 раза – выбирайте среди моделей емкостью до 10000 мАч, Чтобы определить, сколько раз аккумулятор сможет зарядить ваш телефон, увеличьте емкость аккумулятора телефона на 35% и поделите емкость портативного аккумулятора на получившееся число.
Для путешествий вдали от цивилизации потребуется аккумулятор большой емкости.
Чтобы иметь возможность заряжать не только смартфон, но и планшет или ноутбук, выбирайте среди моделей с повышенной емкостью и возможностью зарядки высоким напряжением. Обратите внимание, чтобы в списке напряжений зарядки было и требуемое для вашего ноутбука или планшета.
Литий-полимерный аккумулятор – плюсы и минусы
Статья обновлена: 2020-12-17
Статья обновлена: 26.11.2020
Литий-полимерные аккумуляторы – это современные элементы питания с отличными эксплуатационными характеристиками. Они стали новой ступенью развития литий-ионной технологии. Аккумуляторы типа Li-Polymer применяются в смартфонах, планшетах, электронных книгах, квадрокоптерах, моделях на радиоуправлении, портативных электроинструментах и другой технике.
Использование полимерного электролита повышает безопасность использования аккумуляторов, предоставляет свободу форм и размеров, в т. ч. позволяет получать сверхтонкие модели.
Изначально Li-Pol элементы питания уступали Li-ion аналогам по ионной проводимости и диапазону допустимых температур. Но модели обоих типов, используемые в современной технике и электронике, по рабочим характеристикам практически идентичны.
Особенности Li-Pol технологии
Главное отличие Li-Pol моделей от Li-ion аналогов состоит в типе применяемого электролита. При производстве накопителей энергии категории Li-ion катод и анод разделяют пористым сепаратором. В его порах содержится жидкий электролит. У элементов питания категории Li-Pol роль электролита выполняет полимер с токопроводящими добавками.
Основой для производства Li-Polymer аккумуляторов стали полимеры, которые при внедрении в их структуру ионов электролита переходят в полупроводниковое состояние с многократным возрастанием проводимости.
Ученым удалось создать несколько групп Li-Po аккумуляторов с разным составом электролита:
Характерным отличием Li-Polymer батарей является гибкая форма и мягкая оболочка вместо жесткого корпуса. Эта особенность обеспечивает элементам питания более легкий вес – на 20% по сравнению с Li-ion аналогами.
Принцип работы
По принципу работы Li-Po и Li-ion аккумуляторы идентичны. Заряд переносят ионы лития, которые перемещаются от катода к аноду и обратно, внедряясь в молекулярную структуру материалов. При зарядке элементов питания ионы Li + переходят от катода к аноду, а при разрядке – в обратном направлении. Проводящей средой для ионов Li+ служит полимер с включенными в его состав добавками из солей лития. Напряжение Li-Po ячеек в разряженном состоянии составляет от 2,7 до 3 В, а в заряженном – достигает 4,2 В.
Плюсы и минусы литий-полимерных батарей
Экспериментируя с используемыми материалами катода, анода и электролита, ученые добились повышения плотности тока и увеличения температурного диапазона Li-Po ячеек. У разных брендов технологии изготовления Li-Pol аккумуляторов. Поэтому и характеристики элементов питания отличаются. Но в целом плюсами литий-полимерных аккумуляторов являются:
Минусами литиево-полимерных аккумуляторов считается их относительно высокая цена, временное снижение емкости на морозе и подверженность естественной деградации – старению. Как и все элементы питания на основе лития, Li-Polymer модели постепенно теряют свою емкость – около 20% за 2 года активной работы.
Типы Li-Po батарей
В зависимости от допустимых разрядных токов Li-Po батареи делятся на 2 группы:
Правила эксплуатации
Чтобы продлить срок службы Li-Poly батареи, нужно четко соблюдать рекомендации по ее эксплуатации. Прежде всего, необходимо использовать надежное зарядное устройство с подходящими параметрами. На универсальном ЗУ важно корректно выставлять настройки – напряжение 4,2 В на элемент и ток до 1С. Для силовых моделей допустим зарядный ток до 5С. Также для сохранения работоспособности Li-Po батареи важно:
При нарушении правил эксплуатации элементы питания быстро теряют емкость. При перегреве до 70 °С происходит самопроизвольная реакция, преобразующая энергию в тепло. В результате аккумулятор может воспламениться. Но при соблюдении правил использования Lo-Po элементы они абсолютно безопасны, эффективно справляются со своими задачами и радуют долгим сроком службы.
Какую батарею выбрать: Li-Pol или Li-ion?
Из-за отсутствия жидкого электролита Li-Po батареи считаются более безопасными в использовании. В отличие от Li-ion элементов, они не привязаны к стандартным типоразмерам, бывают очень тонкими – от 1–2 мм, выполняются в мягкой оболочке и имеют более легкий вес. В остальном Li-Pol и Li-ion батареи практически идентичны.
Поэтому выбор зависит преимущественно от требований к весу и толщине аккумулятора. Если нужен сверхтонкий и легкий источник питания, преимущество отдается полимерным моделям. В остальных случаях обычно используются Li-ion батареи.