Как сконструкировать зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов в домашних условиях. Зарядное устройство для литиевых аккумуляторов своими руками
В нынешнее время очень популярны литий-ионные аккумуляторы, они используются в различных гаджетах, к примеру телефонах, умных часах, плеерах, фонариках, ноутбуках. Впервые аккумулятор такого типа (Li-ion) выпустила известная японская фирма Sony. Принципиальная схема простейшего аккумуляторов представлена на картинке ниже, собрав её, у вас будет возможность самостоятельно восстанавливать заряд в аккумуляторах.
Самодельная зарядка литиевых АКБ - схема электрическая
Основой для данного прибора являются две микросхемы-стабилизатора 317 и 431 (). Интегральный стабилизатор LM317 в данном случае служит источником тока, данную деталь берём в корпусе TO-220 и обязательно устанавливаем на теплоотвод с применением термопасты. Регулятор напряжения TL431 выпускаемый компанией texas instruments существует кроме этого, в корпусах SOT-89, TO-92, SOP-8, SOT-23, SOT-25 и других.
Светодиоды (LED) D1 и D2 любого, приятного для вас цвета. Мной были выбраны такие: LED1 красный прямоугольный 2,5 мм (2,5 милиКандел) и LED2 зелёный диффузионный 3 мм (40-80 милиКандел). Удобно применять smd светодиоды, если вы не будете устанавливать готовую плату в корпус.
Минимальная мощность резистора R2 (22 Ohm) 2 Ватта, а R5 (11 Ohm) 1 Ватт. Все отсальные 0,125-0,25W.
Переменный резистор на 22 килоОма должен быть обязательно типа СП5-2 (импортный 3296W). Такие переменные резистора имеют очень точную регулировку сопротивления, которое можно плавно подстраивать крутя червячную пару, похожую на бронзовый болтик.
Фото измерения вольтажа li-ion аккумулятора от сотового телефона до зарядки (3.7V) и после (4.2V), ёмкость 1100 mA*h.
Печатная плата для литиевого зарядного
Печатная плата (PCB) существует в двух форматах для разных программ - архив находится . Размеры готовой печатной платы в моём случае 5 на 2,5 см. По бокам оставил пространство для креплений.
Как работает зарядка
Как работает готовая схема такого зарядного устройства? Сначала аккумулятор заряжается постоянных током, который определяется сопротивление резистора R5, при стандартном номинале 11 Ом он будет примерно 100 мА. Далее, когда перезаряжаемый источник энергии будет иметь напряжение 4,15-4,2 вольта начнется зарядка постоянным напряжением. Когда же ток зарядки снизится до маленьких значений светодиод D1 перестанет светиться.
Как известно, стандартным напряжение для зарядки Li-ion является 4,2V, данную цифру необходимо установить на выходе схемы без нагрузки, с помощью вольтметра, так аккумулятор будет заряжается полностью. Если же немножко снизить напряжение, где-то на 0,05-0,10 Вольт, то ваш аккумулятор будет заряжаться не до конца, но так он прослужит дольше. Автор статьи ЕГОР .
Обсудить статью ЗАРЯДНОЕ ЛИТИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Это простое зарядное устройство для литий-ионных аккумуляторов , а так же и литий-полимерных аккумуляторов построено на широко известном LM317.
Процесс заряда показан на графике ниже. В первый момент процесса зарядки ток заряда постоянен, при достижении целевого уровня напряжения (Umax) на аккумуляторе, зарядное устройство переходит в режим, когда напряжение остается постоянным, а ток асимптотически стремится к нулю.
Выходное напряжение литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов, как правило, составляет 4,2В (для некоторых типов 4,1 В). Обычно, выходное напряжение не совпадает с номинальным напряжением которое составляет 3,7В (иногда 3,6В).
Не рекомендуется заряжать данный тип аккумуляторов до полных 4,2В, так как это уменьшает срок службы аккумулятора. Если уменьшить выходное напряжение до 4,1В, емкость падает на 10%, но в тоже время срок службы (количество циклов) увеличится почти в два раза. При эксплуатации аккумуляторов, нельзя доводить номинальное напряжение ниже 3,4…3,3В.
Описание зарядного устройства
Как уже было сказано, зарядка построена на стабилизаторе LM317. Li-Ion и Li-Pol довольно требовательны к точности зарядного напряжения. Если вы хотите, произвести заряд до полного напряжения (обычно 4,2В), то необходимо выставить это напряжение с точностью плюс/минус 1%. После зарядки до 90% емкости (4,1В), точность может быть немного меньше (около 3%).
Схема с применением LM317 обеспечивает достаточно точную стабилизацию напряжения. Целевое напряжение устанавливается R2. Стабилизация тока не столь критична, как стабилизация напряжения, поэтому достаточно, стабилизировать его с помощью шунтирующего резистора Rx и NPN транзистора (VT1).
Если падение напряжения на резисторе Rx достигает примерно 0,95В, то транзистор начинает открываться. Это уменьшает напряжение на контакте «Общий» стабилизатора Lm317 и тем самым стабилизируется ток.
Необходимый ток зарядки для конкретного литий-ионного (Li-Ion) и литий-полимерного (Li-Pol) аккумулятора выбирается путем изменения сопротивления Rx. Сопротивление Rx приблизительно соответствует следующему отношению: 0,95/Imax. Указанное на схеме значение резистора Rx соответствует току в 200мА.
Входное напряжение питания зарядного устройства должно находиться в диапазоне от 9 до 24 вольт. Превышение данного уровня увеличивает потери мощности в цепи LM317, снижение — нарушит правильную работу (нужно пересчитывать падение напряжения на шунте и минимальное напряжения на контакте «Общий»). Транзистор VT1 можно заменить на BC237, KC507, C945 или отечественный
Вы сможете ознакомиться со схемой зарядного устройства, которая отлично подойдет для литиевых Li-Ion аккумуляторов.
Сначала его автор хотел представить простой вариант на микросхеме lm317, но в этом случае зарядку нужно питать от более высокого напряжения, чем 5 вольт. Причина в том, что разница между входным и выходным напряжениями микросхемы lm317 должна быть не менее 2 Вольт. Напряжение заряженного литий-ионного аккумулятора составляет около 4,2 Вольт. Следовательно, разница напряжений меньше 1 вольта. А это это значит, что можно придумать другое решение.
На АлиЭкспресс можно купить специализированную плату для зарядки литиевых аккумуляторов, которая стоит около доллара. Да, это так, но зачем покупать то, что можно сделать за пару минут. Тем более нужно месяц пока заказ будет у вас. Но если решили приобрести готовый, чтобы сразу пользоваться им, купите в этом китайском магазине . В поиске по магазину впишите: TP4056 1A
Самая простая схема
Сегодня рассмотрим варианты UDB-зарядного устройства для литиевых аккумуляторов, которое сможет повторить каждый. Схема самая самая простая, которую можно только придумать.
Решение
Это гибридная схема, где есть стабилизация напряжения и ограничение тока заряда аккумулятора.
Описание работы зарядки
Стабилизация напряжения построена на базе довольно популярной микросхемы регулируемого стабилитрона tl431. Транзистор в качестве усилительного элемента. Ток заряда задается резистором R1 и зависит только от параметров заряжаемого аккумулятора. Этот резистор советуется с мощностью 1 ватт. А все остальные резисторы 0,25 или 0,125 ватт.
Как мы знаем, напряжение одной банки полностью заряженного литий-ионного аккумулятора составляет около 4,2 Вольт. Следовательно, на выходе зарядного устройства мы должны установить именно это напряжение, которое задается подбором резисторов R2 и R3. Существует очень много онлайн программ по расчету напряжения стабилизации микросхемы tl431.
Для наиболее точной настройки выходного напряжения советуется резистор R2 заменить на многооборотное сопротивление около 10 килоом. Кстати, возможно и такое решение. Светодиод у нас в роли индикатора заряда, подойдет практически любой светодиод, цвет на ваш вкус.
Вся настройка сводится к установке на выходе напряжения 4,2 вольта.
Несколько слов о стабилитроне tl431. Это очень популярная микросхемах,не путайте с транзисторами в аналогичном корпусе. Эта микросхема встречается практически в любом импульсном блоке питания, например компьютернаом, где микросхема чаще всего стоит в обвязке.
Силовой транзистор не критичен, подойдет любой транзистор обратной проводимости средней или высокой мощности, например из советских подойдут КТ819, КТ805. Из менее мощных КТ815, КТ817 и любые другие транзисторы с аналогичными параметрами.
Для каких аккумуляторов подходит устройство?
Схема предназначена для зарядки только одной банки литиевого аккумулятора. Можно заряжать акб стандарта 18 650 и иные аккумуляторы, только нужно выставить соответствующее напряжения на выходе из зарядника.
Если вдруг по каким-то причинам схема не заработает, то проверьте наличие напряжения на управляющем выводе микросхемы. Оно должна быть не менее 2,5 Вольт. Это минимальное рабочее напряжение для внешнего источника опорного напряжения микросхемы. Хотя встречаются варианты исполнения, где минимальное рабочее напряжение составляет 3 Вольта.
Целесообразно также построить небольшой тестовый стенд для указанной микросхемы, чтобы проверить ее на работоспособность перед пайкой. А после сборки тщательно проверяем монтаж.
В ещё одной публикации материал об улучшении .
Процессы зарядки разрядки любых аккумуляторных батарей протекают в виде химической реакции. Однако заряд литий-ионных аккумуляторов — это исключение из правил. Научные исследования показывают энергетику таких батарей как хаотичное перемещение ионов. Утверждения учёных мужей заслуживают внимания. Если по науке правильно заряжать литий-ионные аккумуляторы, тогда эти приборы должны служить вечно.
Подтверждённые практикой факты утраты полезной ёмкости АКБ учёные видят в ионах, блокируемых так называемыми ловушками.
Поэтому, как и в случае с другими подобными системами, литий-ионные приборы не застрахованы от дефектов в процессе их применения на практике.
Зарядные устройства для конструкций Li-ion имеют некоторое сходство с приборами, предназначенными для кислотно-свинцовых систем.
Но главные отличия таких зарядных устройств видятся в подаче завышенных напряжений на ячейки. К тому же отмечаются более жесткие допуски по токам, плюс исключение заряда прерывистым или плавающим способом при полной зарядке батареи.
Относительно мощный прибор питания, который может применяться в качестве накопителя энергии для конструкций альтернативных источников энергии
Если отличаются некоторой гибкостью, с точки зрения подключений/отключений напряжения, производители литий-ионных систем категорически отвергают такой подход.
Аккумуляторы Li-ion и правила эксплуатации этих приборов не допускают возможности безграничного превышения заряда.
Поэтому не существует для литий-ионных аккумуляторов так называемого «чудесного» зарядного устройства, способного продлить срок службы на длительное время.
Невозможно получить дополнительную емкость Li-ion за счёт импульсного заряда или прочих известных трюков. Литий-ионная энергетика — это своего рода «чистая» система, принимающая строго ограниченное количество энергии.
Зарядка кобальто-купажированных АКБ
Классические конструкции литий-ионных батарей оснащены катодами, структуру которых составляют материалы:
- кобальт,
- никель,
- марганец,
- алюминий.
Все они обычно заряжаются напряжением до 4,20В/я. Допускаемое отклонение составляет не более +/- 50 мВ/я. Но есть также отдельные виды литий-ионных аккумуляторов на основе никеля, которые допускают величину заряда напряжением до 4.10В/я.
Кобальт-купажированные литий-ионные аккумуляторные батареи оснащаются внутренними защитными цепями, но этот момент редко спасает от взрыва аккумулятора в режиме чрезмерного заряда
Также есть разработки литий-ионных АКБ, где увеличена процентная доля лития. Для них напряжение заряда может достигать значения 4,30В/я и выше.
Что же, увеличение напряжения увеличивает емкость, но выход напряжения за пределы спецификации чреват разрушением структуры АКБ.
Поэтому в массе своей литий-ионные аккумуляторы оснащаются защитными цепями, цель которых держать установленную норму.
Полный или частичный заряд
Однако практика показывает: большинство мощных литий-ионных АКБ могут принимать более высокий уровень напряжения при условии его кратковременной подачи.
При таком варианте эффективность зарядки составляет около 99%, а ячейка остается холодной в процессе всего времени заряда. Правда, некоторые литий-ионные батареи всё таки нагреваются на 4-5C при достижении полного заряда.
Возможно, это связано с защитой или объясняется высоким внутренним сопротивлением. Для таких АКБ следует останавливать заряд при росте температуры более 10ºC на умеренной норме заряда.
Литий-ионные батареи в зарядном устройстве на зарядке. Индикатор показывает полную зарядку аккумуляторов. Дальнейший процесс грозит повредить батареи
Полная зарядка кобальто-купажированных систем наступает с пороговым значением напряжения. При этом ток падает на величину до 3 -5% от номинала.
Аккумулятор будет показывать полный заряд и при достижении какого-то уровня ёмкости, остающегося неизменным в течение продолжительного времени. Причиной этому может стать повышенный саморазряд батареи.
Увеличение тока заряда и заряд насыщения
Следует отметить: увеличение тока заряда не ускоряет достижение состояния полного заряда. Литий- достигнет пика напряжения быстрее, но заряд до полного насыщения ёмкости требует больше времени. Тем не менее, зарядка аккумулятора большим током быстро увеличивает ёмкость батареи примерно до 70 %.
Литий-ионные аккумуляторы не поддерживают обязательной полной зарядки, как в случае с кислотно-свинцовыми приборами. Мало того, именно такой вариант зарядки нежелателен для Li-ion. Фактически, лучше зарядить АКБ не полностью, потому что высокое напряжение «напрягает» аккумулятор.
Выбор порога более низкого напряжения или полного съёма заряда насыщения способствуют продлению срока службы литий-ионной батареи. Правда, такой подход сопровождается уменьшением времени отдачи энергии АКБ.
Здесь следует отметить: зарядные устройства бытового назначения, как правило, работают на максимальной мощности и не поддерживают регулировки зарядного тока (напряжения).
Производители бытовых зарядных устройств для литий-ионных аккумуляторов считают продолжительный срок службы менее важным фактором, чем затраты на усложнение схемных решений.
Зарядные устройства литий-ионных батарей
Некоторые дешевые зарядные устройства бытового назначения часто работают по упрощенной методике. Заряжают литий-ионный аккумулятор в течение одного часа и менее, без перехода на заряд насыщения.
Индикатор готовности на таких устройствах загорается, когда батарея достигает порога напряжения на первом этапе. Состояние заряда при этом составляет около 85%, что нередко удовлетворяет многих пользователей.
Это зарядное устройство отечественного производства предлагается для работы с разными аккумуляторами, в том числе с литий-ионными АКБ. Аппарат имеет систему регуляции напряжения и тока, что уже хорошо
Зарядные устройства профессионального назначения (дорогостоящие) отличаются тем, что устанавливают порог зарядного напряжения ниже, тем самым продлевая срок службы литий-ионной батареи.
В таблице показаны расчетные мощности при заряде такими устройствами на разных пороговых значениях напряжения, с зарядом насыщения и без такового:
| Напряжение заряда, В/на ячейку | Ёмкость при отсечке высокого напряжения, % | Время заряда, мин | Ёмкость при полном насыщении, % |
| 3.80 | 60 | 120 | 65 |
| 3.90 | 70 | 135 | 75 |
| 4.00 | 75 | 150 | 80 |
| 4.10 | 80 | 165 | 90 |
| 4.20 | 85 | 180 | 100 |
Как только литий-ионный аккумулятор начинает заряжаться, отмечается быстрый рост напряжения. Такое поведение сравнимо с подъёмом груза резиновой лентой, когда имеет место эффект отставания.
Емкость, в конечном итоге, будет набрана, когда аккумулятор полностью зарядится. Такая характеристика заряда типична для всех АКБ.
Чем выше ток заряда, тем ярче эффект резиновой ленты. Низкая температура или наличие ячейки с высоким внутренним сопротивлением лишь усиливают эффект.
Структура литий-ионной аккумуляторной батареи в самом простейшем виде: 1- минусовая шина из меди; 2 — плюсовая шина из алюминия; 3 — анод из оксида кобальта; 4- катод из графита; 5 — электролит
Оценка состояния заряда путем считывания напряжения заряженной батареи нецелесообразна. Измерение напряжения разомкнутой цепи (холостой ход) после того, как батарея покоилась несколько часов, является лучшим оценочным индикатором.
Как и для других батарей, температура влияет на холостой ход точно так же, как влияет на активный материал литий-ионной АКБ. , ноутбуков и других устройств оценивается путем подсчета кулонов.
Литий-ионный АКБ: порог насыщения
Литий-ионный аккумулятор не способен поглощать избыточный заряд. Поэтому при полном насыщении аккумулятора ток заряда сразу необходимо снять.
Постоянный текущий заряд может привести к металлизации элементов лития, что нарушает принцип обеспечения безопасности эксплуатации таких АКБ.
Чтобы свести к минимуму образование дефектов, следует как можно быстрее отключать литий-ионный аккумулятор при достижении пика заряда.
Этот аккумулятор уже не возьмёт заряда ровно столько, сколько ему положено. По причине неправильной зарядки он утратил свои главные свойства накопителя энергии
Как только заряд прекращается, напряжение литий-ионного аккумулятора начинает падать. Проявляется эффект уменьшения физического напряжения.
Некоторое время напряжение холостого хода будет распределяться между неравномерно заряженными ячейками с напряжением 3,70 В и 3,90 В.
Здесь также обращает на себя внимание процесс, когда литий-ионная батарея, получившая полностью насыщенный заряд, начинает заряжать соседнюю (если таковая включена в схему), не получившую заряд насыщения.
Когда литий-ионные батареи требуется постоянно держать в зарядном устройстве с целью обеспечения их готовности, следует делать ставку на зарядные устройства, имеющие функцию кратковременного компенсационного заряда.
Зарядное устройство с функцией кратковременного компенсационного заряда включается, если напряжение разомкнутой цепи падает до 4.05 В/я и выключается при достижении напряжения 4.20 В/я.
Зарядные устройства, предназначенные для оперативной готовности или для работы в режиме ожидания, часто позволяют снизить напряжение батареи до 4,00В/я и заряжают литий-ионные АКБ только до уровня 4,05В/я, не давая достичь полного уровня 4.20В/я.
Подобная методика снижает напряжение физическое, неотъемлемо связанное с напряжением техническим, и способствует продлению срока службы батареи.
Заряд безкобальтовых аккумуляторов
Аккумуляторы в традиционном исполнении имеют номинальное напряжение ячейки равное 3,60 вольта. Однако для приборов, не содержащих кобальта, номинал другой.
Так, литий-фосфатные аккумуляторы обладают номиналом 3,20 вольта (зарядное напряжение 3,65В). А новые литий-титанатные аккумуляторы (производство Россия) имеют номинальное напряжение ячейки 2,40В (зарядное 2,85).
Литий-фосфатные аккумуляторные батареи относятся к накопителям энергии, которые не содержат в своей структуре кобальт. Этот факт несколько меняет условия зарядки таких аккумуляторов
Для таких батарей традиционные зарядные устройства не подходят, так как перегружают АКБ с угрозой взрыва. И наоборот, система зарядки для безкобальтовых батарей не обеспечит достаточным зарядом на 3,60В традиционный литий-ионный аккумулятор.
Превышенный заряда литий-ионного аккумулятора
Литий-ионный аккумулятор безопасно работает в пределах заданных рабочих напряжений. Однако работа батареи становится нестабильной, если она заряжается выше рабочих норм.
Длительная зарядка литий-ионной батареи напряжением выше 4,30В, предназначенной под рабочий номинал 4.20В, чревата металлизацией анода литием.
Материал катода, в свою очередь, приобретает свойства окислителя, утрачивает стабильность состояния, выделяет углекислый газ.
Давление аккумуляторной ячейки нарастает и если заряд продолжается, устройство внутренней защиты сработает при давлении от 1000 кПа до 3180 кПа.
Если же рост давления продолжается и после этого, открывается защитная мембрана при уровне давления 3,450 кПа. В таком состоянии ячейка литий-ионного аккумулятора находится на грани взрыва и в конечном итоге именно так и происходит.
Структура: 1 — верхняя крышка; 2 — верхний изолятор; 3 — стальная банка; 4 — нижний изолятор; 5 — вкладка анода; 6 — катод; 7 — сепаратор; 8 — анод; 9 — вкладка катода; 10 — отдушина; 11 — PTC; 12 — прокладка
Срабатывание защиты внутри литий-ионного аккумулятора связано с повышением температуры внутреннего содержимого. Полностью заряженная аккумуляторная батарея имеет более высокую внутреннюю температуру, чем частично заряженная.
Поэтому литий-ионные батареи видятся более безопасными при условии низкоуровневой зарядки. Вот почему власти некоторых стран требуют использовать в самолётах Li-ion АКБ, насыщенные энергией не выше 30% от их полной ёмкости.
Порог внутренней температуры батарей при полной загрузке составляет:
- 130-150°C (для литий-кобальтовых);
- 170-180°C (для никель-марганец-кобальтовых);
- 230-250°C (для литий-марганцевых).
Следует отметить: литий-фосфатные аккумуляторы обладают лучшей температурной устойчивостью, чем литий-марганцевые АКБ. Литий-ионные батареи не единственные из числа тех, что представляют опасность в условиях энергетической перегрузки.
К примеру, свинцово-никелевые аккумуляторы также предрасположены к расплавлению с последующим возгоранием, если насыщение энергией выполняется с нарушениями паспортного режима.
Поэтому применение зарядных устройств, идеально подходящих к батарее, имеет первостепенное значение для всех литий-ионных аккумуляторов.
Некоторые выводы от анализа
Зарядка литий-ионных батарей отличается упрощённой методикой по сравнению с никелевыми системами. Схема зарядки прямолинейная, с ограничениями напряжения и тока.
Такая схема значительно проще, чем схема, анализирующая сложные сигнатуры напряжения, изменяющиеся по мере эксплуатации батареи.
Процесс насыщения энергией литий-ионных батарей допускает прерывания, эти аккумуляторы не нуждается в полном насыщении, как в случае с кислотно-свинцовыми АКБ.
Схема контроллера для маломощных литий-ионных аккумуляторов. Простое решение и минимум деталей. Но схема не обеспечивает условия цикла, при которых сохраняется длительный срок службы
Свойства литий-ионных аккумуляторов обещают преимущества в работе возобновляемых источников энергии (солнечных панелей и ветряных турбин). Как правило, или ветрогенератор редко обеспечивают полный заряд аккумулятора.
Для литий-иона отсутствие требований стабильной подзарядки упрощает схему контроллера заряда. Литий-ионный аккумулятор не требует контроллера, выравнивающего напряжение и ток, как того требуют свинцово-кислотные АКБ.
Все бытовые и большинство промышленных литий-ионных зарядных устройств полностью заряжают аккумулятор. Однако существующие устройства зарядки литий-ионных батарей в массе своей не обеспечивают регуляцию напряжения в конце цикла.
Многие могут сказать, что за небольшие деньги можно заказать специальную плату из Китая, посредством которой можно заряжать литиевые аккумуляторы через USB. Она будет стоить около 1 доллара.
Но нет смысла покупать то, что легко собирается за несколько минут. Не стоит забывать и о том, что заказанную плату придется ждать около месяца. Да и покупное устройство не приносит столько удовольствия, как сделанное своими руками.
Первоначально планировалось собрать зарядное устройство на базе микросхемы LM317.
Но тогда для питания этой зарядки потребуется более высокое напряжение, чем 5 В. Микросхема должна иметь разницу в 2 В между входящим и выходящим напряжениями. Заряженный литиевый аккумулятор имеет напряжение 4,2 В. Это не соответствует описанным требованиям (5-4,2=0,8), поэтому необходимо поискать другое решение.
Зарядку, которая будет рассматриваться в этой статье, способен повторить практически каждый. Ее схема довольно проста для повторения.
Одну из таких программ можно скачать в конце статьи.
Чтобы осуществить более точную настройку напряжения на выходе, можно поменять резистор R2 на многооборотный. Его сопротивление должно составлять порядка 10 кОм.
Прикрепленные файлы : :
Как сделать простой Повер Банк своими руками: схема самодельного power bank Аккумулятор из литий ионных батареек своими руками: как правильно заряжать
