Все, что вам нужно знать о Ли

Если какой-нибудь Тони Старк не вмешается и не изобретет дуговой реактор или не пройдут исследования спутников на солнечной энергии (SPS) для беспроводной передачи энергии, нам, людям, придется полагаться на батареи для питания наших портативных или удаленных электронных устройств. Самый распространенный тип аккумуляторных батарей, которые вы найдете в бытовой электронике, - это литий-ионные или литий-полимерные. В этой статье нас интересуют литий-ионные батареи, поскольку они, как правило, более полезны, чем все другие типы. Будь то небольшой блок питания, ноутбук или что-то такое же большое, как новая модель Tesla 3, все работает от литий-ионной батареи.

Что делает эти батареи особенными? Что вы должны знать об этом, прежде чем использовать его в своих проектах / дизайнах? Как вы будете безопасно заряжать или разряжать эти батареи? Если вам интересно узнать ответы на все эти вопросы, то вы попали в нужную статью, просто сядьте и прочитайте, пока я постараюсь сделать ее как можно более интересной.

История литий-ионных батарей

Идея литий-ионной батареи была впервые предложена Г. Н. Льюисом в 1912 году, но она стала осуществимой только в 1970-х годах, и первая неперезаряжаемая литиевая батарея была выпущена на коммерческие рынки. Позже, в 1980-х годах инженеры попытались создать первую аккумуляторную батарею с использованием лития в качестве анодного материала, и это частично им удалось. Они не заметили, что эти типы литиевых батарей были нестабильными во время процесса зарядки, и это могло вызвать короткое замыкание внутри батареи, увеличивая температуру и вызывая тепловой разгон.

В 1991 году одна из таких литиевых батарей, используемых в мобильных устройствах, взорвалась над лицом человека в Японии. Только после этого инцидента стало понятно, что с литий-ионными аккумуляторами следует обращаться с особой осторожностью. Огромное количество этих типов батарей, которые были на рынке, были затем отозваны производителями из соображений безопасности. Позже, после долгих исследований, Sony представила передовые литий-ионные батареи с новым химическим составом, которые используются до сих пор. Давайте на этом завершим уроки истории и рассмотрим химию литий-ионной батареи.

Литий-ионный аккумулятор Химия и работа

Как видно из названия, литий-ионные батареи используют ионы лития для выполнения своей работы. Литий - очень легкий металл с высокой плотностью энергии, это свойство позволяет батарее иметь легкий вес и обеспечивать высокий ток при небольшом форм-факторе. Плотность энергии - это количество энергии, которое может храниться в единице объема батареи. Чем выше плотность энергии, тем меньше будет батарея. Несмотря на превосходные свойства металлического лития, его нельзя использовать в качестве электрода непосредственно в батареях, поскольку литий крайне нестабилен из-за своей металлической природы. Следовательно, мы используем ионы лития, которые более или менее имеют те же свойства, что и металлический литий, но они неметаллические и относительно безопасны в использовании.

Обычно анод литиевой батареи сделан из углерода, а катод батареи - из оксида кобальта или другого оксида металла. Электролит, используемый для соединения этих двух электродов, будет простым солевым раствором, содержащим ионы лития. При разряде положительно заряженные ионы лития движутся к катоду и бомбардируют его, пока он не станет положительно заряженным. Теперь, поскольку катод заряжен положительно, он притягивает к себе отрицательно заряженные электроны. Эти электроны проходят через нашу цепь, запитывая цепь.

Аналогично при зарядке происходит с точностью до наоборот. Электроны из зарядов перетекают в батарею, и, следовательно, ионы лития движутся к аноду, заставляя катод терять свой положительный заряд.

Введение в литий-ионные батареи

Достаточно теории о литиево-ионных батареях, теперь давайте практически познакомимся с этими элементами, чтобы мы могли быть уверены в их использовании в наших проектах. Чаще всего используется литий-ионный аккумулятор 18650 Cells, поэтому в этой статье мы обсудим то же самое. Типичная ячейка 18650 показана на изображении ниже.

Как и все батареи, литий-ионный аккумулятор также имеет номинальное напряжение и емкость. Номинальное напряжение для всех литиевых элементов составляет 3,6 В., поэтому вам нужно более высокое напряжение, вам нужно соединить две или более ячеек последовательно, чтобы достичь этого. По умолчанию все литий-ионные элементы будут иметь номинальное напряжение всего ~ 3,6 В. Это напряжение может быть снижено до 3,2 В при полной разряде и до 4,2 В при полной зарядке. Всегда помните, что разрядка аккумулятора ниже 3,2 В или зарядка выше 4,2 В приведет к необратимому повреждению аккумулятора, а также может стать рецептом для фейерверков. Давайте разберем терминологию, связанную с батареей 18650, чтобы мы могли лучше понять. Имейте в виду, что эти объяснения применимы только к одной ячейке 18650, позже мы подробнее рассмотрим литий-ионные аккумуляторные батареи, когда несколько элементов подключаются последовательно или параллельно, чтобы получить гораздо более высокие номинальные значения напряжения и тока.

Номинальное напряжение: номинальное напряжение - это фактическое номинальное напряжение элемента 18650. По умолчанию он составляет 3,6 В и останется неизменным для всех ячеек 18650, независимо от производителя.

Напряжение полного разряда: элемент 18650 никогда не должен разряжаться ниже 3,2 В, в противном случае внутреннее сопротивление аккумулятора изменится, что приведет к необратимому повреждению аккумулятора и может также привести к взрыву.

Напряжение полной зарядки: Напряжение зарядки для литий-ионного элемента составляет 4,2 В. Следует следить за тем, чтобы напряжение ячейки не увеличивалось в любой момент времени на 4,2 В.

Рейтинг мАч: Емкость элемента обычно выражается в мАч (миллиампер-час). Это значение будет варьироваться в зависимости от типа приобретенной вами ячейки. Например, предположим, что наша ячейка имеет емкость 2000 мАч, что составляет не что иное, как 2 Ач (ампер / час). Это означает, что если мы потребляем 2А от этой батареи, этого хватит на 1 час, и аналогично, если мы потребляем 1А от этой батареи, этого хватит на 2 часа. Поэтому, если вы хотите знать, как долго батарея будет питать ваш проект (время работы), вы должны рассчитать его, используя номинал мАч.

Время работы (в часах) = потребляемый ток / рейтинг мАч

Где потребляемый ток должен быть в пределах рейтинга C.

Рейтинг C: Если вы когда-либо задавались вопросом, какое максимальное количество тока, которое вы можете потреблять от батареи, то ваш ответ может быть получен из рейтинга C батареи. Рейтинг C батареи снова меняется для каждой батареи, давайте предположим, что у нас есть батарея емкостью 2 Ач с рейтингом 3C. Значение 3C означает, что аккумулятор может выдавать 3-кратный номинальный ток в ампер-часах как максимальный ток. В этом случае он может выдавать до 6 А (3 * 2 = 6) в качестве максимального тока. Обычно ячейки 18650 имеют рейтинг только 1С.

Максимальный ток, потребляемый от батареи = рейтинг C * рейтинг Ач

Зарядный ток: еще одна важная характеристика батареи, на которую следует обратить внимание, - это зарядный ток. Тот факт, что аккумулятор может обеспечивать максимальный ток 6А, не означает, что он может заряжаться до 6А. Максимальный ток зарядки аккумулятора будет указан в техническом описании аккумулятора, поскольку он зависит от аккумулятора. Обычно он составляет 0,5 ° C, что означает половину номинального значения Ач. Для батареи номиналом 2 Ач зарядный ток будет 1 А (0,5 * 2 = 1).

Время зарядки: минимальное время зарядки, необходимое для зарядки одного элемента 18650, можно рассчитать, используя значение зарядного тока и емкость аккумулятора в ампер-часах. Например, зарядка аккумулятора 2 Ач с зарядным током 1 А займет около 2 часов, если предположить, что зарядное устройство использует только метод CC для зарядки элемента.

Внутреннее сопротивление (IR): состояние и емкость батареи можно предсказать, измерив внутреннее сопротивление батареи. Это не что иное, как величина сопротивления между анодной (положительной) и катодной (отрицательной) выводами батареи. Типичное значение IR ячейки будет указано в таблице данных. Чем больше он отклоняется от фактического значения, тем менее эффективна батарея. Значение IR для ячейки 18650 будет в диапазоне миллиОм, и есть специальные инструменты для измерения значения IR.

Способы зарядки. Существует множество методов зарядки литий-ионных аккумуляторов. Но чаще всего используется трехступенчатая топология. Три этапа: CC, CV и непрерывная зарядка. В режиме CC (постоянный ток) элемент заряжается постоянным зарядным током, изменяя входное напряжение. Этот режим будет активен до тех пор, пока батарея не зарядится до определенного уровня, затем CV (постоянное напряжение)режим запускается, когда напряжение зарядки обычно поддерживается на уровне 4,2 В. Последним режимом является импульсная зарядка или непрерывная зарядка, при которой в аккумулятор передаются небольшие импульсы тока, чтобы продлить срок службы аккумулятора. Существуют и гораздо более сложные зарядные устройства с 7-ступенчатой зарядкой. Мы не будем углубляться в эту тему, так как она выходит далеко за рамки данной статьи. Но если вам интересно, упомяните об этом в разделе комментариев, и позвольте, я напишу отдельную статью о зарядке литий-ионных элементов.

State Of Charge (SOC)%: Состояние заряда - это не что иное, как емкость аккумулятора, аналогичная показанной в нашем мобильном телефоне. Емкость батареи нельзя точно рассчитать с помощью клапана напряжения, она обычно рассчитывается с использованием текущего интегрирования для определения изменения емкости батареи во времени.

Глубина разряда (DOD)%: Насколько может быть разряжена батарея, определяется Министерством обороны США. Никакая батарея не разряжается на 100%, поскольку, как мы знаем, это приведет к ее повреждению. Обычно для всех батарей устанавливается глубина разряда 80%.

Размер ячейки: Еще одна уникальная и интересная особенность ячейки 18650 - это ее размер. Каждая ячейка будет иметь диаметр 18 мм и высоту 650 мм, поэтому эта ячейка получила название 18650.

Если вам нужно больше определений терминологии, загляните в документацию по терминологии MIT Battery, где вы обязательно найдете больше технических параметров, связанных с батареей.

Самый простой способ использовать аккумулятор 18650

Если вы новичок и только начинаете использовать элементы 18650 для питания своего проекта, то проще всего будет использовать готовые модули, которые могут безопасно заряжать и разряжать элементы 18650. Единственным таким модулем является модуль TP4056, который может обрабатывать одну ячейку 18650.

Если ваш проект требует более 3,6 В в качестве входного напряжения, вы можете объединить две ячейки 18650 последовательно, чтобы получить напряжение 7,4 В. В таком случае для безопасной зарядки и разрядки аккумуляторов следует использовать такой модуль, как 2S 3A, литий-ионный аккумуляторный модуль.

Чтобы объединить две или более ячеек 18650, мы не можем использовать обычную технику пайки, чтобы соединить их между собой, вместо этого используется процесс, называемый точечной сваркой. Кроме того, при последовательном или параллельном соединении ячеек 18650 следует проявлять большую осторожность, что обсуждается в следующем параграфе.

Литий-ионный аккумулятор (последовательно и параллельно)

Для питания небольшой портативной электроники или небольших устройств достаточно одной ячейки 18650 или, в лучшем случае, пары последовательно соединенных элементов. В этом типе приложения сложность меньше, так как количество задействованных батарей меньше. Но для более крупных приложений, таких как электрический велосипед / мопед или автомобили Tesla, нам нужно будет подключить множество этих элементов последовательно и параллельно, чтобы получить желаемое выходное напряжение и емкость. Например, автомобиль Tesla содержит более 6800 литиевых ячеек номиналом 3,7 В и 3,1 Ач. На картинке ниже показано, как он устроен внутри шасси автомобиля.

При таком большом количестве ячеек, которые нужно контролировать, нам нужна выделенная цепь, которая может просто безопасно заряжать, контролировать и разряжать эти ячейки. Эта специализированная система называется системой мониторинга батареи (BMS). Задача BMS - контролировать напряжение каждой литий-ионной ячейки, а также проверять ее температуру. Помимо этого, некоторые BMS также контролируют ток зарядки и разрядки системы.

При объединении более двух ячеек в пакет следует следить за тем, чтобы они имели одинаковый химический состав, напряжение, номинальную мощность в ампер-часах и внутреннее сопротивление. Кроме того, во время зарядки элементов BMS гарантирует, что они заряжаются и разряжаются равномерно, так что в любой момент времени все батареи поддерживают одинаковое напряжение, это называется балансировкой ячеек. Помимо этого, дизайнеру также приходится беспокоиться об охлаждении этих батарей во время зарядки и разрядки, поскольку они плохо реагируют на высокие температуры.

Надеюсь, эта статья предоставила вам достаточно подробностей, чтобы вы немного уверенно работали с литий-ионными элементами. Если у вас есть какие-либо конкретные сомнения, не стесняйтесь оставлять их в разделе комментариев, и я постараюсь изо всех сил ответить. А пока счастливых мастеров.