česky english Vítejte, dnes je sobota 04. prosinec 2021

Causa Lithium – I.

DPS 3/2018 | Součástky - články
Autor: Ing. Tomáš Navrátil, Ryston Electronics

Úvod

Poněkud bombastický titulek jsem si vypůjčil z denního tisku. Tento článek je o současném stavu v praktickém používání akumulátorů na bázi lithia v elektronických zařízeních. Lithiová technologie je v současné době nesporně na špičce používání, od drobných přístrojů a spotřební elektroniky, jako jsou mobilní telefony, navigace, notebooky, holicí strojky, svítilny a hračky, až po výkonové aplikace jako UPS, elektrokola i elektromobily. Takže lithium je opravdu celosvětová causa.

Lithiové akumulátory mají přibližně trojnásobnou hustotu energie než niklové a netrpí chronickými nemocemi těchto článků, jako je např. paměťový efekt a ztráta kapacity při nepoužívání či přebíjení. Lithiové články však mají jiné nectnosti, se kterými se konstruktéři musejí vyrovnat, chtějí-li dosáhnout dlouhé životnosti baterie a vysokého počtu nabíjecích cyklů. Tento článek shrnuje problematiku použití, ochrany a nabíjení baterií a článků na bázi lithia.

Causa Lithium – I.

Chemie a tvary

Lithiové baterie existují jak primární, např. knoflíkové CR2032 nebo válcové s vývody, tak sekundární – akumulátory. Stručně je proberme.

Primární články mají počáteční napětí (podle výrobce a technologie) 3,3 až 3,6 V a velmi malé samovybíjení, takže je běžně zaručována životnost 10 let bez externí zátěže. Každé elektronické zařízení má však nějakou minimální spotřebu řádu mikroampérů, takže výrobci se musejí proti předčasnému vybití skladových výrobků bránit zasunutím rozpojovacího proužku fólie, která se před prvním použitím z kontaktů vytáhne, anebo speciálním obvodem, který baterii odpojuje elektronicky až do prvního použití.

Primární Li článek si při provozu ponechává dosti dlouho napětí nad 3 V, ale vybíjení zvyšuje jeho vnitřní odpor, takže při impulsním odběru se napětí sníží i pod 2 V. Prakticky se osvědčil testovací přípravek s odporem asi 3,3 kΩ, který při měření napětí zatíží článek proudem asi 1 mA. Při tomto proudu napětí článku o něco klesne; je-li aspoň 3 V, je článek použitelný ještě nejméně rok (velmi přibližný údaj).

Některé zálohovací obvody pro paměti CMOS, např. obvod DS1232, mají interní sledovací obvod napětí baterie, který zhruba jednou denně zatíží baterii ve standardním zapojení malým proudem a pokles napětí vyhodnotí. Pokud baterie slábne, nastaví se výstup BW (Battery Warning) do aktivního stavu, který je možno vyčíst procesorem, a tak si vyžádat servis a výměnu baterie.

Causa Lithium – I. 1

Energii primárních článků nelze dobít nebo obnovit, a proto zhruba po deseti letech jejich provozu při zálohování pamětí nebo stále běžících obvodů reálného času, je nutná jejich výměna. Proto se používají držáky knoflíkových baterií anebo pájecí vývody. Aby se neztratila zálohovaná informace, musí se výměna provést v zapnutém stavu. Pájení na zapnutém PC s důležitými daty patří ke vzrušujícím zážitkům.

V Rystonu jsme vyvinuli a několikrát inovovali archivační desku se zálohovanými pamětmi pro záznam událostí v provozu dopravního systému. V servisu, který na více než tisíci vyrobených deskách provádíme, si párkrát do roka ověřujeme výše uvedená tvrzení o životnosti primárních článků.

Lithiové akumulátory zažívají v současnosti obrovský rozmach, a stejně tak i jejich dobíjecí a hlídací obvody. Podle chemického principu a z toho plynoucího napětí a proudu, kterým je lze zatížit, se dají odlišit Li-polymerové pro malé proudy, Li-iontové pro střední zatížení s počátečním napětím kolem 4,2 V a LiFePo pro velké proudy s napětím 3,6 V, vhodné např. pro ruční nářadí. Podtypů s různou chemií je u každého výrobce celá řada a zvláště čínští výrobci či spíše přeprodejci v tom mají trochu nepořádek. Přitom napětí pro plné nabití článku je naprosto zásadní údaj, jak uvidíme dále, a je třeba dobíjet přesně podle typu článku, jinak je nebezpečí degradace kapacity článku, přehřátí i požáru.

Nejběžnější jsou články typu Li-Ion (rovněž nazývané nepřesně Li-Po, asi po básníkovi) s napětím 4,2 V a velikostí 18650, což znamená průměr 18 mm, délka 65 mm. Nejčastěji mají kapacitu kolem 2 200 mAh. Dále existují články velikosti 26650 s přibližně dvojnásobnou kapacitou a potom mnoho typů plochých „prizmatických“ článků různých velikostí a kapacit. Články válcové mají zpravidla vývody jako plošky na obou kruhových podstavách, zatímco prizmatické mají drátové vývody.

1S − nP

Touto zkratkou nebo podobně se ne zcela přesně označuje baterie skládající se buď z jediného článku, anebo paralelní spojení několika článků. Vzhledem k technologii výroby paralelní spojení článků vlastně znamená zvýšení aktivní plochy, a tedy zvýšení kapacity a odebíratelného proudu. Napětí jednoho článku 4,2 V (při vybíjení klesající ke 3 V) je velmi výhodné, protože z něj je možno snadno regulátorem LDO získat napětí 3,3 V pro napájení číslicových integrovaných obvodů. Pokud je potřeba vyšší napětí, je ho možné získat dnes už naprosto dostupným zvyšujícím spínaným obvodem „boost“.

Zkratka 1S označuje jednočlánkové napětí. Článek nebo paralelní baterie však musí být vybavená ochranným obvodem, který zabraňuje nadproudu při vybíjení (zkratu) anebo velkému přebití nebo přílišnému vybití. Někdy se používá vratná pojistka − PTC přímo integrovaná pod čepičkou kladného pólu článku.

Causa Lithium – I. 2

Článek se po nabití chová jako dosti „tvrdý“ zdroj napětí, takže je trochu nebezpečný. Při zkratu článku může vzniknout dosti velký proud a množství tepla, což může způsobit i požár. Proto výrobci doplňují články o ochranné obvody a teprve s nimi je lithiová baterie dobrým sluhou.

Ochranný obvod je tvořen integrovaným obvodem skládajícím se z napěťové reference, řady komparátorů pro detekci chybových stavů a řídicí logiky ovládající dva tranzistory FET antisériově spojené, které při chybě rozpojí proudový obvod. Viz např. aplikační schéma s obvodem DW01-P. Podobné obvody se jmenují FS312 od čínského výrobce Fortune, S8261 od Seiko aj. Ochranný obvod je buď nutno připojit externě k baterii, anebo je ve formě maličké desky plošného spoje kruhového nebo obdélníkového tvaru přilepený k článku a pak se baterie připojuje drátovými vývody. Na destičce je někdy čidlo teploty, to je pak možno využít k zjištění teploty článku (a ne okolí).

Ochranný obvod sice chrání článek před fatálními chybami, které by ho nejspíše zničily, ale neřeší jeho správné a optimální nabíjení, které ovlivňuje životnost článku a počet nabíjecích cyklů. K tomu slouží zpravidla další obvod, nazývaný „charge manager“ nebo podobně.

Nabíjecích obvodů pro 1S baterii je celá řada, některé využívají jako zdroj napájení port USB nebo síťový adaptér 5 V. Důležité je při nabíjení dodržet několik pravidel:

  • Je-li baterie úplně vybitá, měla by se nejprve oživit malým proudem, než napětí na ní dosáhne asi 2,5 V. Někdy však je aktivní hlídač podbití, který ji úplně odpojí. Pak je nutno oživit samostatně články.
  • Nejprve se dobíjí konstantním proudem, ten musí být omezen. Doporučuje se nabíjet proudem nižším než 0,5 C. (C je kapacita baterie v ampérhodinách.)
  • Při dobíjení je nutno monitorovat napětí baterie a nejlépe i teplotu, nabíjí-li se proudem větším než 0,5 C.
  • Při přiblížení se k napětí 4,2 V (to je napětí plně nabitého článku) se proud sníží a přejde se na nabíjení konstantním napětím, při němž se baterie formuje.
  • Nabíjení se ukončí, pokud je napětí baterie 4,2 V po dobu asi 10 minut nebo nabíjecí proud poklesne pod 0,1 C anebo teplota uvnitř baterie vzroste nad 60 °C. Ukončovací podmínka je obvykle signalizována diodou LED.

Řídicí obvod nabíjení je obvykle kalibrován na přesnou hodnotu ukončovacího napětí, např. 4,20 V s tolerancí 50 mV, aby se baterie nepoškozovala přebíjením. Ukončení nabíjení je obvykle výsledkem překlopení řídicí logiky, takže do baterie pak neteče žádný trvalý proud, což přispívá k její životnosti.

Ochranný obvod popsaný v předminulém odstavci je schopen také nabíjení ukončit, obvykle je však nastaven na napětí o něco vyšší, asi 4,3−4,5 V. Toho výrobci levné elektroniky někdy využívají a nabíjejí baterie jen přes odpor. Detailní data-sheet některých článků sice připouští nabíjení „bez vzniku ohně“ až na 5 V, takže teoreticky to stačí. Nemám k dispozici přesná statistická data o životnosti, ale tento způsob nabíjení jí určitě neprospívá, soudě podle počtu opravovaných baterií z nedávné doby.

Nabíjecí obvod tedy musí být tvořen zdrojem proudu s omezením napětí na 4,2 V. Od čínských výrobců existují přímo síťové adaptéry pracující jako zdroje proudu kolem 1 A s omezením napětí 4,2 V. Tyto adaptéry jsou zpravidla izolované od sítě a certifikované označením CE, a navíc je můžete nechat libovolně dlouho připojené k baterii bez jejího přebití. Při odpojení adaptéru od sítě však některé typy způsobují vybíjení baterie např. LED indikátorem, takže ji mohou po určité době úplně vybít.

Anebo je možno vytvořit nabíjecí obvod např. pomocí integrovaného obvodu MCP73841-4.2 od výrobce Microchip v aplikačním zapojení napájeném ze zdroje 5 V, například portu USB. Tento nabíjecí obvod potřebuje externí P-FET pro řízení nabíjecího proudu a snímací rezistor pro měření proudu. Obvod má přesnou napěťovou referenci pro ukončovací podmínku nabíjení a existuje několik podtypů s různým napětím. To umožňuje konstrukci kvalitního nabíječe pro 1S1P baterii i pro větší baterie spojené paralelně s větším nabíjecím proudem.

Tento nabíjecí obvod používá na vstupu diodu, na níž se při vstupním napětí 5 V dosáhne jistého úbytku, kolem 0,7 V, ale hlavně tato dioda zabraňuje vybíjení přes vstupní konektor. Toho jsme využili ke konstrukci interního dobíječe pro 1S1P baterie s článkem 18650 anebo 26650 v ručních potápěčských svítilnách, které není pro dobíjení nutno otevírat, což je nejčastější příčinou zaplavení svítilny. V dobíječi je LED indikátor, který svítí skrz plexisklovou „zátku“ – průchodku dobíječe, takže je vidět, jestli svítilna je již nabitá. Navíc dobíjecí obvod má možnost připojení čidla teploty baterie – termistoru, díky mazanému vnitřnímu zapojení je možno použít jak NTC, tak i PTC. Při poruše nebo přehřátí baterie indikátor bliká, při dobíjení svítí, po nabití zhasne.

Dobíjecích obvodů pro 1S je celá řada, například obvod MCP73811 v pouzdru SOT23-5 s integrovaným výkonovým tranzistorem, takže konstrukce nabíječe je velmi jednoduchá. Jediný problém je, co s vyprodukovaným teplem: při dobíjecím proudu 1 A a úbytku 1 V na regulátoru se vytvoří teplo 1 W, což uchladit v plastovém pouzdře může být problém. Navíc Li baterie nemají vůbec rády zvýšenou teplotu, a ještě k tomu vlastním vyprodukovaným teplem na konci dobíjení samy přispívají. Jak se zdá ze servisních zkušeností, přebíjení a vyšší teploty jsou nejdůležitější faktory snižující kapacitu a počet cyklů Li baterií.

2S

Napětí baterie o dvou sériových článcích je 8,4 V. Tato konfigurace se využívá poměrně málo, buď s nevýměnnými – zabudovanými články ve fotoaparátech a tabletech, anebo v modelařině, kde je tradice používat baterie se jmenovitým napětím kolem 9 V a dobíjet je z automobilové baterie. Hlavním problémem je nestejné vybíjení a k tomu se dostaneme dále.

Firma Microchip vyrábí i specializované obvody pro dobíjení 2S baterií, poznají se podle suffixu -8.4.

Na obr. 4 je fotografie ochranného obvodu pro 2S baterii složenou z prizmatických článků, s ploškami pro svaření páskových vývodů.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik