Elektronika v domači delavnici 2 (Založba Faro 2008) – www.faro.si

UPORABA IN KARAKTERISTIKE AKUMULATORJEV – 1/6 poglavij

 

Li-ion-ČLEN

 

    Litij-ion (Li+) akumulatorski členi imajo negativno elektrodo iz neke litijeve spojine ali iz materiala z zgolj absorbiranim litijem. Opraviti imamo torej z litijevimi ioni, ki kot taki posedujejo znaten električen naboj. V naravi menda ni bolj »električne« snovi, zato so ti akumulatorji med najlažjimi. Anoda je grafitna. Za elektrolit služi neko organsko topilo (sol) na osnovi litija. V primerjavi z NiCd ima skoraj 2-krat večjo kapaciteto/volumen in skoraj 3-krat višjo nominalno napetost člena, torej med 3,6 V in 3,7 V (pri 23 °C), z mnogo bolj stabilno praznilno napetostno krivuljo, brez spominskega efekta in s samopraznjenjem okoli 3 % na mesec. Po mnenju proizvajalcev vzdržijo med 300 in 450 praznjenj (odvisno koliko napora je proizvajalec pripravljen vložiti v izdelavo svojega izdelka).

Da bi v celoti izkoristili ta akumulator se je potrebno izogibati predvsem:

·         polnjenju preko 4,2 V oziroma časovno neomejenemu polnjenju,

·         prehitremu polnjenju (>2C),

·         prevelikim bremenskim tokovom (>2C – tisti za 30C so občutno dražji),

·         preglobokemu praznjenju (< 2,75 V) in

·         delovnim temperaturam izven predpisanega območja (glej nadaljevanje).

V primerjavi z ostalimi sekundarnimi členi (NiCd ali NiMH), je zanje priporočljivo pogosto polnjenje. Ne čakamo, da se akumulatorček popolnoma izprazni, ampak ga ob prvi priložnosti napolnimo. Pa ne samo to, akumulator odklopimo takoj, ko polnilnik javi, da je polnjenje končano! Ta napotek je, glede na izkušnje ob branju navodil za zgodnje prenosne telefone, skoraj absurden, a tako svetujejo proizvajalci! Življenjsko dobo bomo najmanj podvojili, če jih ne bomo praznili pod 50 % nazivne kapacitete, torej, če je le mogoče, jih uporabljamo med 100 % in 50 % kapacitete. Vendar pozor: prekomerno polnjenje Li-ion-člen močno segreje. Literatura poroča o požarih in celo eksplozijah. Izogibajmo se polnilnikov, kjer polnjenja ne moremo časovno omejiti!

Prizadevanja mnogih podjetij (A123, Altair, Sanyo, Toshiba) in raziskovalnih institucij (MIT, Sabatier) napovedujejo skorajšnje nove člene Li-ion z najmanj 3-krat višjimi kapacitetami od današnjih in z možnostjo izredno hitrega polnjenja (nekaj minut). Več v poglavju Li-polimer.

 

Zgradba

 

Najbolj običajni členi imajo obliko valja. Dosegljivi so tudi oglati, ki pa niso tako popularni. Pri klasični sestavi (npr. Sanyo) je zaporedno z anodnim priključkom dodan PTK-upor, katerega upornost ob prekomernem segrevanju (npr. ob kratkem stiku) naraste tudi na 10 kΩ, kar močno poveča varno rabo. Tudi ti členi zaradi konstrukcijske izvedbe varnostnega ventila onemogočajo njihovo eksplozijo, posebno stikalo se (nepovratno!) odpre ob preseganju določenega tlaka. Prva zaščita je samoobnovljiva, pri drugi postane akumulatorček neuporaben. Še dodatno varovanje se aktivira, pri ekstremnih delovnih temperaturah. Tedaj se začne topiti polimerski separator (torej tisti del, ki ločuje anodo in katodo) in se zaradi zapiranja por v separatorju skoraj popolnoma prekine električni tokokrog. Tudi ta zaščita ni obnovljiva. Pri litijevih akumulatorjih se praktično vsa vložena električna energija spremeni v kemično in obratno, kar postane velik problem prav pri prekomernem polnjenju in praznjenju. Pri prekomernem polnjenju NiCd-člena sta stranski produkt voda in kisik, kar sicer pomeni slabši izkoristek, a hkrati učinkovito preprečita katastrofalne posledice nepravilnega polnjenja. Tega mehanizma pri Li-členu ni, zato sta izredno pomembna pravilno polnjenje in praznjenje!

 

R 206  Zgradba Li-ion člena (Sanyo)

 

Polnjenje

 

Osnovni način polnjenja Li-ion akumulatorjev je polnjenje s konstantnim tokom, vendar le do določene vrednosti napetosti. Običajno polnimo z vrednostmi med 0,2C in 1C. Po približno 50 minutah (pri toku 1C), ko dosežemo predpisano napetostno vrednost, recimo 4,2 V ±30 mV (pri +20 °C), moramo doseženo napetost še nekaj časa (običajno 100 minut) zgolj vzdrževati. Ob spremembi režima polnjenja je člen napolnjen približno 80 %, po opravljenem napetostnem ciklu pa lahko štejemo, da smo ga napolnili 100 %. Celoten cikel polnjenja traja torej približno 2,5 ure. Pri zelo skromnih polnilnih tokovih se časi polnjenja ustrezno podaljšajo. V tem primeru napetostno polnjenje zaključimo, ko polnilni tok pade pod 0,02C (prakticira se tudi 0,05C). Polnjenje je smiselno v temperaturnem območju od 0 °C do +40 °C. Izogibajmo se polnjenju pri zelo nizkih temperaturah (pod 0 °C)!

Nekateri proizvajalci dovoljujejo tudi nekoliko višje končne napetosti, npr. 4,3 V ali 4,4 V in celo 4,5 V. Višja napetost je očitno povezana z višjo kapaciteto C.

Velikost toka v začetnem delu polnjenja ni posebno pomembna, lahko uporabimo celo zelo preprosta vezja, celo brez regulacije, medtem ko mora biti napetostno omejevanje natančno in zanesljivo. Pri večjih polnilnih tokovih (do 2C) sicer prej dosežemo napetostno omejitev, vendar se zato močno podaljša čas napetostnega polnjenja, če seveda želimo akumulator(ček) popolnoma napolniti. A pomnimo: nižji polnilni tokovi podaljšajo življenjsko dobo litij-ionskim akumulatorjem.

 

I/mA

R2/kΩ

500

 2,0

400

 2,8

300

 3,3

200

 4,7

100

10,0

50

20,0

P 41  Nastavitev toka pri MCP73831

 

 

V primeru polnjenja Li-akumulatorja z več členi je skoraj obvezna uporaba izenačevalnika (balanserja). To je elektronsko vezje, ki ga priključimo vzporedno (vsakemu!) členu. Elektronika ne dopusti, da bi napetost posameznega člena presegla dovoljeno vrednost z natančnostjo nekaj milivoltov – ne glede na čas polnjena. Če torej nadaljujemo s polnjenjem, vezje vključi breme, ki prevzame celoten polnilni tok. Na ta način preprečimo prekomerno polnjenje najšibkejšega člena med (nemotenim) polnjenjem ostalih do polne vrednosti.

 

R 207  Microchip ponuja čip za enostavno polnjenje Li-ion neposredno iz USB-priključka oziroma iz 5 V napajanja. Lahko izbiramo med več končnimi napetostmi. Polnilni tok nastavimo z uporom R2 (preglednica P 41), po utripanju LED-diode pa spoznamo, kdaj je člen napolnjen. Vse skupaj zavzame izredno malo prostora tako, da moremo elektroniko vgraditi celo v samo ohišje priključka. Vezje lahko kadarkoli nadgradimo npr. za 12 V vir.

 

Praznjenje

 

V poprečju je napetost med praznjenjem okoli 3,6 V. Odvisna je seveda od temperature okolice, predvsem pa od velikosti praznilnega toka. Pri večjih tokovih (nad 1C) se za nekoliko odstotkov celo zmanjša razpoložljiva kapaciteta celice, pri obremenitvah nad 2C pa je padec napetosti že tako velik, da je taka raba največkrat odsvetovana (razen za posebne izvedbe). Enako velja za uporabo pri nizkih temperaturah (pod 0 °C). Tudi v tekem primeru se razpoložljiva kapaciteta premočno zniža.

 

R 208  Praznjenje člena Li-ion pri različnih začetnih temperaturah. Ob koncu praznjenja se je površina člena segrela na približno 50 °C.

 

Izredno pomembno je, da člen ne izpraznimo pregloboko, ker ga sicer uničimo »po hitrem postopku«! Kritična vrednost je med 2,0 V in 2,4 V. Priporočljivo je, da Li-ion člen sploh ne izpraznimo pod 2,75 V (velja si natančno ogledati navodilo proizvajalca). To je pomembno tudi, kadar akumulator dalj časa ne uporabljamo, vsaj enkrat letno ga moramo napolniti. Pri višjih temperaturah je samopraznjenje izrazitejše, zato je priporočljivo Li-ionske akumulatorčke hraniti v hladilniku (še bolje v zamrzovalni skrinji pri –20 °C)  in to skoraj prazne! (Pred ponovno uporabo – polnjenjem – jih ogrejemo!) Seveda moramo paziti, da napetost celice med počivanjem vendarle ne pade pod minimalno dovoljeno. Nazivno kapaciteto uspešneje regeneriramo z nižjimi polnilnimi tokovi.

 

Temperatura

skladiščenja

Začetna kapaciteta

40 %

100 %

0 °C

2 %

6 %

+20 °C

4 %

20 %

+40 °C

15 %

35 %

+60 °C

25 %

40 %

P 42  Letno samopraznjenje Li-ion (vir: BU)

 

 

Profesionalna elektronika k Li-ion akumulatorjem prigrajuje posebna vezja (npr. čip DS2720, Maxim/Dallas), ki preprečijo škodljivo prekomerno praznjenje in polnjenje. Modelarji si tega ne morejo privoščiti, saj za tako zaščito v modelu pogosto ni prostora. S tem vzamejo v zakup tudi resne poškodbe napajalnega vira. Zavedati se moramo, da pade kapaciteta tudi pri najsodobnejši izvedbi Li-ion akumulatorja pod 25 % po vsega nekaj 10 (pre)globokih praznjenjih. Tako moramo biti precej bolj pozorni na obnašanje modela in v trenutku, ko zaznamo izgubo moči motorja, vozilce kar najhitreje parkirati! Če ne uspemo z enim polnjenjem odpeljati celotnega tekmovalnega turnusa, je to znak, da izbira akumulatorja (ali motorja) ni pravilna. Ker modelarji zlasti med tekmovanjem skoraj praviloma preobremenijo pogonski akumulator, je prav, da ga pogosteje regenerirajo z nekaj zaporednimi polnjenji in praznjenji (pri manjših tokovih seveda).

 

Štev. celic

Nazivna napetost/V

Končna napetost/V

1

3,7

2,75

2

7,4

6,0

3

11,1

9,0

4

14,8

12,0

P 43  Nazivne napetost in minimalna dovoljena napetost

akumulatorčkov Li-ion za različno število členov. (vir: Sanyo)

 

Prav možnost samopoškodbe akumulatorja zaradi dolgotrajnega skladiščenja narekuje, da pred nakupom preverimo datum proizvodnje (kupujemo le »mlade« člene), še najbolje je kar na prodajnem pultu z voltmetrom preveriti njihovo napetost.

 

Varnostne mere in uporaba

 

Ker Litij-ionski akumulatorji vsebujejo lahko gorljive snovi (gorljiv je predvsem litij), je potrebna pri rabi določena pazljivost, kljub temu, da imajo že tovarniško vgrajene varnostne pritikline in mehanizme. V večini primerov njihovo aktiviranje pomeni tudi konec vira, ko regeneracija ni možna.

Paralelna vezava različnih tipov litij-ionskih členov ni priporočljiva (čeprav najdemo tudi izjeme), saj skoraj zagotovo izzovemo požar in celo eksplozijo (zaradi izravnalnih tokov). Tudi pri zaporedni vezavi več členov moramo biti previdni. Ni odveč nadzorovati temperaturo na površini vsakega posebej.

Čeprav Li-člen nima spominskega efekta, se pogosto srečamo z digitalnim spominom. Prigrajeno varnostno vezje namreč ves čas preračunava razpoložljivo kapaciteto akumulatorja. Napaka s časoma že tako naraste (zaradi številnih vklopov in izklopov), da utegne varnostna elektronika predčasno izključiti akumulator. Nevšečnosti se izognemo tako, da akumulatorček popolnoma izpraznimo, da hkrati resetiramo merilnik porabe.

 

R 209  Ko tlak v notranjosti člena močno naraste, popusti varnostni spoj pod pozitivnim priključkom, kar hkrati trajno prekine tokokrog. Člen tedaj postane neuporaben, a zato ne eksplodira. Pri večjih tokovih se praviloma prej aktivira PTK-element, ki močno omeji bremenski tok. Ko se člen ohladi, spet deluje normalno. (Sanyo)