89_92.pdf

S P R Z Ę T

Nowoczesne akumulatory

czêœæ 2

Sposoby ³adowania i obs³uga

Dostajemy wiele pytaÒ zwi¹zanych z†³adowaniem

wspÛ³czesnych akumulatorÛw rÛønego typu. Zagadnienie jest

rzeczywiúcie z³oøone, poniewaø rÛønorodnoúÊ dostÍpnych na

rynku odnawialnych ürÛde³ zasilania jest ogromna,

a†informacji stosunkowo niewiele.

W†artykule odpowiemy na pytania pojawiaj¹ce siÍ najczÍúciej

w†listach nadsy³anych do redakcji.

RAM - ³adowalne ogniwa

alkaliczne

Wywodz¹ce siÍ z†niedostatkÛw

ubieg³ej epoki liczne pomys³y regene-

rowania baterii jednorazowych (pier-

wotnych) paradoksalnie doczeka³y siÍ

po latach realizacji w†postaci ³adowal-

nych baterii alkalicznych w†technolo-

gii RAM ( Rechargeable Alkaline Modu-

les ). Akumulatory te, bÍd¹ce twÛrczym

rozwiniÍciem, powszechnie znanych,

ogniw alkalicznych opartych na uk³a-

dzie elektrochemicznym cynk (Zn) -

dwutlenek manganu (MnO 2 ), mog¹

w†pewnych warunkach stanowiÊ inte-

resuj¹c¹ alternatywÍ dla akumulatorÛw

Ni-Cd i†Ni-MH.

Cylindryczne ogniwo alkaliczne

(w†stanie na³adowanym) tworz¹ dwie

elektrody:

- dodatnia - w†postaci cylindrycznego

p³aszcza sprasowanego z†masy sk³a-

daj¹cej siÍ m.in. z†dwutlenku manga-

nu (MnO 2 , braunsztyn) jako substan-

cji czynnej oraz grafitu poprawiaj¹ce-

go przewodnictwo elektryczne;

- ujemna - umieszczona w†osi cylind-

ra zawieraj¹ca sproszkowany cynk

jako substancjÍ aktywn¹.

PomiÍdzy elektrodami znajduje siÍ

porowaty separator nasycony stÍøonym

roztworem wodorotlenku potasowego

(KOH). Podczas roz³adowania, dwutle-

nek manganu MnO 2 znajduj¹cy siÍ na

elektrodzie dodatniej przechodzi

w†uwodniony tlenek manganu MnOOH

(redukcja Mn 4+ do Mn 3+ ), natomiast

cynk na elektrodzie ujemnej zostaje

utleniony (Zn 2+ ) do tlenku cynku ZnO.

Ogniwo RAM jest zaprojektowane asy-

metrycznie co oznacza, øe elektroda

ujemna (cynkowa) ma mniej-

sz¹ pojemnoúÊ od dodat-

niej. Dlatego w†roz³ado-

wanym ogniwie na elek-

trodzie dodatniej zawsze

pozostaje pewna iloúÊ

niezredukowanego MnO 2 ,

co ma zapobiegaÊ niepoø¹-

danemu redukowaniu manganu do niø-

szych stopni. Niestety, taka ochrona nie

jest ca³kowicie skuteczna, co powoduje

(jedna z†przyczyn) stopniow¹ degrada-

cjÍ pojemnoúci akumulatora w†kolej-

nych cyklach ³adowania/roz³adowania.

Dodajmy przy tym, øe im g³Íbiej ogni-

wo zosta³o roz³adowane, tym szybciej

zachodzi utrata pojemnoúci.

Zmiany konstrukcyjne, dziÍki ktÛrym

ogniwa alkaliczne sta³y siÍ ³adowalne,

polegaj¹ m.in. na:

- wprowadzeniu do sk³adu elektrody

dodatniej katalizatora powoduj¹cego

utlenianie wydzielaj¹cego siÍ wodo-

ru, a†tym samym chroni¹cego przed

nadmiernym wzrostem ciúnienia we-

wn¹trz obudowy;

- opracowaniu specjalnego dwuwars-

twowego separatora uniemoøliwiaj¹-

cego narastanie dendrytÛw cynku

w†kierunku elektrody dodatniej -

w³aúnie powstawanie dendrytÛw

prowadz¹ce do wystÍpowania zwarÊ

by³o jednym z†powodÛw uniemoøli-

wiaj¹cych skuteczn¹ regeneracjÍ og-

niw jednorazowych.

Akumulatory RAM, podobnie jak

zwyk³e alkaliczne ogniwa pierwotne,

maj¹ wartoúÊ SEM (si³y elektromotorycz-

nej) rÛwn¹ ok. 1,5 V. Cechuje je rÛw-

nieø podobna, ìmiÍkkaî charakterystyka

roz³adowania przebiegaj¹ca od 1,5†V

w†stanie na³adowania do 0,9†V†po ca³-

kowitym wyczerpaniu ogniwa. Od ba-

terii jednorazowych rÛøni je mniejsza

pojemnoúÊ pocz¹tkowa (porÛwnywalna

z†ogniwami Ni-Cd), a†takøe wiÍksza re-

zystancja szeregowa sprawiaj¹ca, øe

ogniwa RAM nie toleruj¹ duøych pr¹-

dÛw roz³adowania. Przyk³adowo, dla

ogniw o†rozmiarze AA (R6) zaleca siÍ

roz³adowywanie pr¹dem nieprzekracza-

j¹cym 0,5 A przy obci¹øeniu ci¹g³ym

i†maks. 0,9 A przy obci¹øeniach krÛt-

kotrwa³ych. RAM w†porÛwaniu z†aku-

mulatorami niklowymi maj¹ takøe

mniejsz¹ trwa³oúÊ (okreúlan¹ jako

25...500 cykli), silnie zaleøn¹ od wa-

runkÛw eksploatacji.

Jak moøna wywnioskowaÊ z†dotych-

czasowego opisu, ogniwa RAM posia-

daj¹ wiele ograniczeÒ. Co w†takim ra-

zie przemawia za ich stosowaniem?

OtÛø do najwaøniejszych zalet moøna

zaliczyÊ:

- Bardzo ma³e samoroz³adowanie. Po

piÍciu latach przechowywania na³a-

dowane ogniwo powinno zachowaÊ

min. 80% pierwotnego ³adunku.

- Ca³kowity brak efektu pamiÍciowego.

Co wiÍcej - ogniwa RAM preferuj¹

pracÍ w†p³ytkich cyklach i†ìlubi¹î

byÊ zawsze na³adowane (odwrotnie

niø akumulatory Ni-Cd i†Ni-MH).

- Stosunkowo proste metody ³adowa-

nia niewymagaj¹ce stosowania z³o-

øonych uk³adÛw nadzoru stanu og-

niwa.

Podobne cechy (ma³e samoroz³ado-

wanie, brak pamiÍci) maj¹ rÛwnieø np.

ogniwa litowo-jonowe, jednak ich ce-

na jest nieporÛwnywalnie wyøsza od

akumulatorÛw RAM. Te cechy ³ado-

walnych ogniw alkalicznych predesty-

nuj¹ je np. do awaryjnego zasilania

urz¹dzeÒ elektronicznych o†niewielkim

poborze mocy.

£adowanie baterii RAM moøe odby-

waÊ siÍ w†jednym z†dwÛch trybÛw:

- £adowanie standardowe . Polega na

³adowaniu ogniw do sta³ego napiÍ-

cia o†wartoúci 1,65 (±0,05) V/ogni-

wo. Pocz¹tkowy pr¹d ³adowania mu-

si byÊ ograniczony przez uk³ad ³a-

dowania do wartoúci 150 mA (dla

ogniw AA). Czas ³adowania ca³kowi-

Elektronika Praktyczna 5/2003

S P R Z Ę T

Rys. 5. Przykładowa charakterystyka

ładowania cyklu RAM w trybie

szybkim

- Wyeliminowania gazowania akumula-

tora w†koÒcowym okresie ³adowania.

Konstrukcja akumulatora umoøliwia

migracjÍ powstaj¹cego na elektrodzie

dodatniej tlenu do elektrody ujemnej,

gdzie moøe ulec neutralizacji.

- Zastosowania zaworÛw zwrotnych

chroni¹cych przed rozerwaniem obu-

dowy w†razie wyst¹pienia nadciúnienia

(np. w†wyniku prze³adowania) i†jedno-

czeúnie chroni¹cych przez dostÍpem

powietrza do wnÍtrza obudowy (VRLA

- Valve Regulated Lead Acid ).

Elektrody p³ytowe stosowane w†aku-

mulatorach o³owiowych powstaj¹

w†wyniku wprasowania porowatej ma-

sy czynnej w†siatkowe ramki ze stopu

o³owiu (a úciúlej stopu PbSnCa). W†od-

rÛønieniu od akumulatorÛw zasado-

wych, kwas siarkowy (H 2 SO 4 ) stano-

wi¹cy zasadniczy sk³adnik elektrolitu

bierze czynny udzia³ w†zachodz¹cych

reakcjach elektrochemicznych, a†jego

stÍøenie maleje w†miarÍ roz³adowywa-

nia akumulatora. Substancjami aktyw-

nymi w†na³adowanym ogniwie s¹:

- Na elektrodzie dodatniej - dwutlenek

o³owiu PbO 2 przechodz¹cy w†wyni-

ku roz³adowania w†siarczan o³owia-

wy PbSO 4 (co odpowiada redukcji

z†Pb 4+ do Pb 2+ ).

- Na elektrodzie ujemnej - metalicz-

ny o³Ûw (Pb) przechodz¹cy podczas

roz³adowania rÛwnieø do postaci

PbSO 4 (co odpowiada utlenieniu

Pb 0 do Pb 2+ ).

Stosunkowo duøa masa i†delikatna

konstrukcja elektrod p³ytowych sprawia,

øe tego typu akumulatory s¹ nieodpor-

ne na wstrz¹sy (uwaga rowerzyúci!).

Przewiduj¹c eksploatacjÍ w†ekstremal-

nych warunkach, naleøy raczej siÍgn¹Ê

po (droøsze) akumulatory o†elektrodach

zwijanych, charakteryzuj¹ce siÍ znacznie

wiÍksz¹ trwa³oúci¹ i wytrzyma³oúci¹ me-

chaniczn¹ (np. Cyclon firmy Hawker:

http://www.hepi.com/cyclon.htm ).

Prawid³owa eksploatacja akumulato-

ra kwasowego wymaga przestrzegania

kilku zasad:

- Dysponowana pojemnoúÊ akumulato-

ra maleje ze spadkiem temperatury.

Przyjmuj¹c, øe znamionowa tempera-

tura pracy wynosi 20 o C, to np.

w†temperaturze 0 o C†moøna uzyskaÊ

juø tylko 85% pojemnoúci nominal-

nej.

- Trwa³oúÊ akumulatora o³owiowego

szybko maleje ze wzrostem tempera-

tury. Przyjmuje siÍ, øe podniesienie

temperatury pracy o†kaøde 8†stopni

powyøej temperatury znamionowej

skraca jego øywotnoúÊ o†po³owÍ

(sic!). Dlatego naleøy szczegÛlnie

zadbaÊ o†dobr¹ wentylacjÍ i†stanow-

czo unikaÊ nagrzewania akumulato-

ra w†urz¹dzeniu, np. przez s¹siadu-

j¹ce radiatory.

- G³Íbokie roz³adowanie, a†w†szczegÛl-

noúci d³ugotrwa³e przetrzymywanie

w†stanie roz³adowanym prowadzi do

zasiarczenia akumulatora (osadzenia

trudno rozpuszczalnego, grubokrysta-

licznego PbSO 4 na elektrodach)

i†w†konsekwencji do nieodwracalnej

utraty pojemnoúci.

- Dopuszczalne koÒcowe napiÍcie roz-

³adowania akumulatora zaleøy od

pr¹du roz³adowania. Jako punkt od-

niesienia przy znikomym obci¹øeniu

naleøy przyj¹Ê wartoúÊ 1,75 V/ogni-

wo. Przy roz³adowaniu wiÍkszym

pr¹dem procesy elektrochemiczne za-

chodz¹ce w†akmulatorze ìnie nad¹øa-

j¹î za zapotrzebowaniem, co moøemy

obserwowaÊ jako przyspieszony spa-

dek napiÍcia na zaciskach. Orienta-

cyjnie moøna przyj¹Ê, øe napiÍcie

jednego ogniwa nie powinno spaúÊ

poniøej nastÍpuj¹cych wartoúci:

pr¹d napiÍcie

roz³adowania koÒcowe

[V/ogniwo]

I<0,2 C† 1,75

0,2 C<I<0,5 C 1,70

0,5 C<I<1,0 C 1,55

1,0 C>I 1,30

- Maksymalny pr¹d roz³adowania bezob-

s³ugowego akumulatora o³owiowego

zazwyczaj nie powinien przekraczaÊ

wartoúci 3C. Szukaj¹c zamiennika, np.

do zasilacza UPS, naleøy siÍgn¹Ê po

specjalne wersje przystosowane do pra-

cy z†duøymi pr¹dami roz³adowania.

Zalecana metoda ³adowania akumula-

torÛw o³owiowych polega na ³adowaniu

do sta³ego napiÍcia, z†ograniczeniem

wartoúci pr¹du pocz¹tkowego ( constant-

curent/constant-voltage ). Najwaøniejsz¹

regu³¹, o†jakiej trzeba pamiÍtaÊ, jest

niedopuszczanie do gazowania elektro-

litu. Niewielkie iloúci gazÛw powstaj¹-

ce nieuchronnie w†procesie ³adowania

ulegaj¹ chemicznej resorpcji, nie zak³Û-

caj¹c pracy akumulatora. Jednak inten-

sywne prze³adowanie moøe doprowa-

dziÊ do ucieczki gazu przez zawory

wyrÛwnawcze, a†tym samym do nieod-

wracalnej utraty wody z†elektrolitu

i†degradacji ogniwa. Niestety konstruk-

cja cel ca³kowicie uniemoøliwia uzu-

pe³nienie powsta³ych ubytkÛw.

W†zaleønoúci od sposobu eksploata-

cji zaleca siÍ jeden z†dwÛch podstawo-

wych trybÛw ³adowania:

- £adowanie okresowe ( cycle use ) -

stosowane np. w†urz¹dzeniach prze-

noúnych, jedynie co pewien czas

pod³¹czanych do ³adowarki. £adowa-

nie w†tym trybie prowadzi siÍ do

osi¹gniÍcia napiÍcia koÒcowego rÛw-

nego 2,45 V/ogniwo (przy 25 o C)

z†ograniczeniem pr¹du ³adowania do

wartoúci maks. 0,4C. £adowanie po-

winno zostaÊ zakoÒczone po up³y-

wie zadanego czasu.

cie roz³adowanych ogniw zawiera

siÍ w†przedziale 8...16 h. Do wyko-

nania tak prostej ³adowarki wystar-

cza jeden uk³ad LM317 + kilka ele-

mentÛw dyskretnych.

- £adowanie impulsowe (przyspieszo-

ne) . Polega na ³adowaniu baterii og-

niw impulsami pr¹dowymi o†sta³ej

wartoúci (500...750 mA dla wersji

AA) i†wype³nieniu ok. 70% ( rys. 5 ).

W†przerwach pomiÍdzy impulsami

nastÍpuje pomiar napiÍcia na zacis-

kach akumulatora. Jeøeli jego wartoúÊ

przekracza prÛg 1,65 (±0,05) V/ogni-

wo, to kolejne impulsy zostaj¹ zablo-

kowane, aø do ponownego obniøenia

napiÍcia poniøej wartoúci progowej.

W†przyk³adowej ³adowarce opracowa-

nej przez firmÍ Rayovac zastosowano

impulsy o†czÍstotliwoúci 100 Hz

uzyskiwane z†niefiltrowanego wyjúcia

prostownika dwupo³Ûwkowego. Czas

pe³nego ³adowania ogniw w†tym try-

bie zawiera siÍ w†przedziale 2...8 h.

Uwaga! Baterie RAM nie mog¹ byÊ

³adowane sta³opr¹dowo, czyli prÛba

zastosowania ³adowarki przeznaczonej

dla akumulatorÛw Ni-Cd/Ni-MH moøe

doprowadziÊ do ich zniszczenia.

Hermetyczne akumulatory

o³owiowo-kwasowe

Akumulatory te ( Sealed Lead-Acid )

s¹ modyfikacj¹, znanych od niemal

150 lat, powszechnie stosowanych

kwasowych akumulatorÛw o³owio-

wych. Wprowadzone zmiany konstruk-

cyjne mia³y na celu przede wszystkim

wyeliminowanie k³opotliwej obs³ugi

(pomiaru gÍstoúci i†uzupe³niania elek-

trolitu) i†zamkniÍcie ogniw w†herme-

tycznej obudowie. Sta³o siÍ to moøli-

we w†wyniku:

- Wprowadzenia dodatkÛw øeluj¹cych

do elektrolitu (st¹d potoczna nazwa:

akumulatory øelowe) lub zastosowa-

nia ch³onnej warstwy separuj¹cej

z†nietkanego w³Ûkna szklanego

(AGM - Absorbed Glass Mat ). Aku-

mulatory AGM charakteryzuj¹ siÍ

nieco niøsz¹ rezystancj¹ wewnÍtrzn¹

i†wyøsz¹ pojemnoúci¹ od ich øelo-

wych odpowiednikÛw.

Elektronika Praktyczna 5/2003

S P R Z Ę T

- £adowanie buforowe ( backup use ) -

stosowane m.in. w†uk³adach zasila-

nia rezerwowego. Przyjmuje siÍ na-

piÍcie koÒcowe rÛwne 2,20...2,30 V/

ogniwo z†ograniczeniem pr¹du ³ado-

wania do wartoúci nieprzekraczaj¹cej

0,15C.

- £adowanie dwuetapowe ( rys. 6 ) -

moøe byÊ stosowane np. w†zasila-

czach UPS w†celu szybkiego odtwo-

rzenia rezerwy energii po przywrÛ-

ceniu zasilania sieciowego. W†pierw-

szym etapie naleøy ³adowaÊ akumu-

lator tak jak przy pracy okresowej.

Gdy pr¹d ³adowania spadnie poniøej

wartoúci progowej (0,02C), naleøy

przejúÊ do trybu ³adowania buforo-

wego.

Podane napiÍcia koÒcowe dotycz¹

³adowania w†temperaturze pokojowej

(20...25 o C). Jeøeli temperatura otocze-

nia moøe ulec istotnym zmianom, na-

leøy je odpowiednio korygowaÊ, przyj-

muj¹c wspÛ³czynnik korekcyjny o†war-

toúci -3...-5 mV/stopieÒ/ogniwo, acz-

kolwiek zalecenia rÛønych producen-

tÛw nie s¹ pod tym wzglÍdem jedno-

lite, m.in. firma Panasonic proponuje,

aby ze wzrostem temperatury powyøej

30 o C†koÒcowe napiÍcie ³adowania

w†trybie buforowym mala³o, zbliøaj¹c

siÍ asymptotycznie do wartoúci ok.

2,22 V/ogniwo.

Rys. 6. Dwuetapowe ładowanie ogniw kwasowo−ołowiowych

metalicznego i†zast¹pienia go jonami

(st¹d nazwa Li-Ion) wbudowanymi

w†materia³ elektrod. Pod wzglÍdem bu-

dowy wewnÍtrznej, wspÛ³czesny aku-

mulator litowo-jonowy ma najczÍúciej

postaÊ trzywarstwowej zwijki z³oøonej

z†dwÛch elektrod przedzielonych sepa-

ratorem. PrzestrzeÒ miÍdzyelektrodow¹

wype³nia elektrolit organiczny z†roz-

puszczonymi solami litu. Zadanie se-

paratora polega na izolacji elektrycznej

umoøliwiaj¹cej zarazem niezak³Ûcony

przep³yw jonÛw litu pomiÍdzy elektro-

dami. Do wykonania elektrod uøywa

siÍ materia³Ûw zdolnych do wbudowy-

wania i†oddawania atomÛw litu bez

jednoczesnej zmiany swojej struktury

krystalicznej (tzw. interkalacja). Mate-

ria³ uøywany do wytwarzania elektrod

ujemnych powinien mieÊ moøliwie

wysoki potencja³ elektrochemiczny

wzglÍdem potencja³u odniesienia (tzn.

neutralnej elektrody wodorowej). Naj-

lepszy do tego celu okaza³ siÍ grafit

lub specjalnie preparowana odmiana

wÍgla bezpostaciowego. Ze strony

elektrody dodatniej najczÍúciej uøywa

siÍ obecnie tlenku litowo-kobaltowego

(LiCoO 2 ) maj¹cego tÍ szczegÛln¹ cechÍ,

øe iloúÊ zawartego w†nim litu nie jest

okreúlona przez proporcje stechiomet-

ryczne i†moøe siÍ zmieniaÊ w†pew-

nych granicach. W†czasie roz³adowy-

wania ogniwa litowo-jonowego atomy

litu znajduj¹ce siÍ w†elektrodzie do-

datniej oddawszy jeden elektron ulega-

j¹ jonizacji i†w†postaci jonÛw Li + mig-

ruj¹ do elektrody ujemnej, gdzie otrzy-

muj¹ brakuj¹cy elektron i†zostaj¹ wbu-

dowane w†strukturÍ krystaliczn¹ wÍg-

la. W†miarÍ roz³adowywania maleje

iloúÊ litu w†elektrodzie dodatniej

a†roúnie po stronie przeciwnej. £ado-

wanie ogniwa Li-Ion odwraca ten pro-

ces. Atomy litu po zjonizowaniu

opuszczaj¹ elektrodÍ wÍglow¹ i†migru-

j¹ na drug¹ stronÍ, gdzie zostaj¹ wbu-

dowane w†strukturÍ LiCoO 2 . Nominal-

ne napiÍcie wtÛrnego ogniwa litowego

wynosi 3,6...3,7 V†(zaleønie od szcze-

gÛ³Ûw wykonania elektrody ujemnej).

Rezygnacja ze stosowania metalicz-

nego litu zdecydowanie poprawi³a bez-

pieczeÒstwo uøytkowania tych ogniw,

eliminuj¹c ryzyko niestabilnoúci ter-

micznej i†eksplozji. Jednak w†herme-

tycznie zamkniÍtej obudowie wci¹ø

znajduje siÍ organiczny elektrolit

okreúlany w†kartach bezpieczeÒstwa ja-

ko extra flammable . Przegrzanie ogni-

wa np. w†wyniku prze³adowania moøe

spowodowaÊ rozszczelnienie obudowy,

wyciek i†zap³on elektrolitu. Istotnym

krokiem w†kierunku wyeliminowania

rÛwnieø tego zagroøenia by³o zast¹pie-

nie ciek³ego elektrolitu warstw¹ poli-

meru organicznego umoøliwiaj¹cego

dyfuzjÍ jonÛw litu. W†ogniwach lito-

wo-polimerowych (Li-Po) zachowano

jedynie szcz¹tkow¹ zawartoúÊ elektro-

litu s³uø¹cego zmniejszeniu rezystancji

wewnÍtrznej. Jednoczeúnie sta³o siÍ

moøliwie wyeliminowanie masywnej

metalowej obudowy, a†samo ogniwo

ma postaÊ folii o†gruboúci poniøej

1†mm, ktÛra moøe byÊ zwijana, sk³a-

dana w†harmonijkÍ itp. DziÍki temu

uzyskano zwiÍkszon¹ gÍstoúÊ energii

zgromadzonej w†jednostce objÍtoúci

i†niespotykane moøliwoúci zastosowaÒ

np. umieszczenia we wnÍtrzu karty

chipowej.

Wbrew obiegowym opiniom, techni-

ka ³adowania akumulatorÛw litowych

jest stosunkowo nieskomplikowana,

zw³aszcza jeøeli porÛwnamy j¹ z†ogni-

wami Ni-MH. Zasadniczo sprowadza

siÍ do wspomnianej juø wczeúniej me-

tody constant current/constant voltage ,

czyli ³adowania sta³ym pr¹dem aø do

Ogniwa litowo-jonowe

(Li-Ion) i†litowo-polimerowe

(Li-Po)

Lit, z†racji zajmowania pierwszego

miejsca w†szeregu elektrochemicznym

metali (-3,024 V) a†jednoczeúnie ma³ej

masy atomowej (6,94) i†bardzo ma³ego

ciÍøaru w³aúciwego (0,53 g/cm 3 ), jest

jednym z†najbardziej obiecuj¹cych ma-

teria³Ûw do konstrukcji ogniw elektro-

chemicznych. Jednak, naleø¹c do tej

samej grupy co sÛd i†potas, jest zara-

zem pierwiastkiem niezwykle aktyw-

nym chemicznie, przez co przysparza

powaønych problemÛw zwi¹zanych

z†bezpieczeÒstwem uøytkowania. Prze-

konali siÍ o†tym konstruktorzy pierw-

szych, ³adowalnych ogniw litowych.

Stosowane w†nich elektrody z†meta-

licznego litu po osi¹gniÍciu tempera-

tury 150 o C†wchodzi³y w†niekontrolo-

wan¹, prowadz¹c¹ do eksplozji reakcjÍ

z†³atwopalnym elektrolitem. Jednoczeú-

nie metaliczny lit wykazywa³ tenden-

cjÍ do tworzenia dendrytÛw penetruj¹-

cych warstwÍ separatora i†powoduj¹-

cych powstawanie zwarÊ miÍdzyelek-

trodowych. Seria wypadkÛw wywo³a-

nych przez przegrzanie akumulatora

w†wyniku zwarcia lub nieumiejÍtnego

³adowania doprowadzi³a do wycofania

tego typu ogniw z†rynku. Renesans

wtÛrnych ogniw litowych nast¹pi³ do-

piero po rezygnacji ze stosowania litu

Elektronika Praktyczna 5/2003

S P R Z Ę T

øe akumultory litowe nie s¹ zdolne do

przyjÍcia prze³adowania.

Akumulatory przechowywane przez

d³uøszy czas mog¹ byÊ poddawane

okresowemu ³adowaniu konserwuj¹ce-

mu. Polega ono na pomiarze napiÍcia

na zaciskach i†po stwierdzeniu obniøe-

nia do poziomu 4,05 V/ogniwo, okre-

sowym (co ok. 3†tygodnie) do³adowy-

waniu do poziomu 4,20 V/ogniwo.

Ze wzglÍdÛw na bezpieczeÒstwo

uøytkowania i†trwa³oúÊ drogich aku-

mulatorÛw naleøy spe³niÊ jeszcze kil-

ka dodatkowych warunkÛw:

- £adowanie musi odbywaÊ siÍ w†za-

kresie temperatur 0...45 o C.

- Uk³ad ³adowania powinien posiadaÊ

niezaleøne zabezpieczenie przed

prze³adowaniem ustalone na pozio-

mie 4,30 V/ogniwo (zaledwie 0,1

V†powyøej nominalnego napiÍcia ³a-

dowania!). Po przekroczeniu tej gra-

nicy nastÍpuje osadzanie metaliczne-

go litu na elektrodzie ujemnej. Jed-

noczeúnie materia³ elektrody dodat-

niej staje siÍ utleniaczem, traci sta-

bilnoúÊ i†zaczyna wydzielaÊ tlen.

W†konsekwencji ogniwo ulega prze-

grzaniu, skutkiem czego moøe ulec

rozszczelnieniu i†samozap³onowi.

- Automatyka zasilanego urz¹dzenia

powinna zapobiegaÊ przed roz³ado-

waniem poniøej granicy 2,50 V/ogni-

wo (typowo powinno siÍ utrzymy-

waÊ min. 2,7...3,0 V/ogniwo). Nie

wolno ³adowaÊ ogniw doprowadzo-

nych przez d³uøszy czas (kilka dni)

do stanu g³Íbokiego roz³adowania

(poniøej 1,5 V/ogniwo). Zmiany

elektrochemiczne zachodz¹ce w†jego

wnÍtrzu mog¹ powodowaÊ sk³onnoúÊ

do powstawania zwarÊ miÍdzyelek-

trodowych i†groø¹ niestabilnoúci¹,

przegrzaniem i†zap³onem ogniwa.

Fabryczne pakiety ogniw Li-Ion

czÍsto zawieraj¹ wbudowane zabezpie-

czenia przez przekroczeniem dopusz-

czalnego napiÍcia (4,30 V), temperatu-

ry (90 o C) lub nadmiernego ciúnienia

wewnÍtrznego. £adowanie baterii lito-

wych jest znacznie prostsze niø np.

akumulatorÛw niklowych, m.in. dziÍki

jednoznacznoúci z†jak¹ moøna stwier-

dziÊ moment zakoÒczenia procesu.

Z†drugiej strony, wymagaj¹ bardzo pre-

cyzyjnej kontroli warunkÛw ³adowania.

Dlatego warto powierzyÊ je specjalizo-

wanym uk³adom produkowanym przez

wiele firm m.in. Maxim, Linear Tech.,

Phillips i†in.

Odnoœniki

Ogólne

✦

Ni-Cd/Ni-MH

✦

Lead-Acid

Rys. 7. Typowy przebieg ładowania

ogniw litowo−jonowych

Lead-Acid

✦

✦ !"

RAM

osi¹gniÍcia zadanego napiÍcia koÒco-

wego, po czym nastÍpuje stopniowy

spadek pr¹du aø do wartoúci, przy

ktÛrej ³adowanie powinno zostaÊ za-

koÒczone. W†odrÛønieniu od ogniw in-

nych rodzajÛw, akumulatory litowe s¹

jednak szczegÛlnie czu³e na warunki

³adowania. Z†jednej strony graj¹ tu ro-

lÍ wzglÍdy bezpieczeÒstwa, a†z†drugiej

bardzo duøa wraøliwoúÊ na prze³ado-

wanie. Nawet przekroczenie o†1% no-

minalnej pojemnoúci moøe doprowa-

dziÊ do destrukcji ogniwa.

£adowanie odbywa siÍ ze sprawnoú-

ci¹ ok. 99,8%, niespotykan¹ w†innych

rodzajach ogniw (nie dotyczy to pier-

wszego ³adowania formuj¹cego maj¹ce-

go mniejsz¹ sprawnoúÊ). Dlatego pakiet

Li-Ion w†czasie ³adowania powinien

byÊ ca³kowicie zimny. £adowanie po-

winno odbywaÊ siÍ w†dwÛch fazach

( rys. 7 ):

1. Faza wstÍpna. Polega na ³adowa-

niu ogniwa sta³ym pr¹dem aø do

osi¹gniÍcia napiÍcia koÒcowego. Mak-

symalny dopuszczalny pr¹d ³adowania

wynosi 1C dla ma³ych ogniw Li-Ion,

0,8C dla ogniw duøych (np. popular-

nego w†notebookach typu 18650)

i†0,5C w†przypadku ogniw Li-Po. Pr¹d

³adowania nie jest limitowany od do-

³u (przypomnijmy sobie zastrzeøenia

jakie by³y w†przypadku Ni-MH). Jeøeli

napiÍcie roz³adowanego ogniwa spad-

³o poniøej 2,9 V, naleøy zacz¹Ê ³ado-

wanie od pr¹du nieprzekraczaj¹cego

0,1C. NapiÍcie koÒcowe ³adowania po-

winno wynosiÊ 4,20 V†±0,05 V/ogni-

wo. Akumulator na³adowany do napiÍ-

cia 4,10 V/ogniwo bÍdzie mia³ pojem-

noúÊ mniejsz¹ o†ok. 10% od nominal-

nej, zyskuj¹c w†zamian na trwa³oúci.

Faza wstÍpna trwa ok. 1†h†(przy pr¹-

dzie 1C) i†dostarcza ogniwu ok. 70%

energii znamionowej.

2. Faza ³adowania koÒcowego. Odby-

wa siÍ przy sta³ym napiÍciu rÛwnym

napiÍciu koÒcowemu (4,20 V). Pr¹d ³a-

dowania spada w†miarÍ do³adowywa-

nia ogniwa. Gdy jego wartoúÊ spadnie

do poziomu 0,033C, ³adowanie naleøy

bezwzglÍdnie zakoÒczyÊ. PamiÍtajmy,

RAM

✦

Li-Ion/Li-Po

✦

$%&

✦

()

✦ *&

+(()%%$$

Ró¿ne

✦ ,-,

.!/012, 3 %'45

✦ ,-,%&,

(67+85

nia. Mam nadziejÍ, øe chociaø w†nie-

wielkim stopniu u³atwiÍ w†ten sposÛb

np. samodzieln¹ konstrukcjÍ ³adowarek

i†úwiadome dobieranie warunkÛw pra-

cy, wykraczaj¹ce poza bierne skopio-

wanie noty aplikacyjnej kolejnego

uk³adu scalonego. Naleøy jednak zda-

waÊ sobie sprawÍ, øe temat eksploata-

cji jest bardzo rozleg³y i†w†zasadzie

zosta³ jedynie zasygnalizowany. Niemal

ca³kowicie pomin¹³em kwestiÍ wp³ywu

temperatury na osi¹gi akumulatorÛw,

metody oszacowania stanu roz³adowa-

nia itd. Ponadto, porÛwnanie materia-

³Ûw publikowanych przez rÛønych wy-

twÛrcÛw uwidacznia istotne rÛønice

pomiÍdzy, na pozÛr silnie zunifikowa-

nymi, produktami. Dlatego zachÍcam

do uwaønej lektury dostÍpnych kart ka-

talogowych i†not aplikacyjnych, a†w³o-

øony wysi³ek niew¹tpliwie zostanie

nagrodzony d³uøsz¹ (taÒsz¹!) prac¹

wykorzystywanych akumulatorÛw.

Marek Dzwonnik, AVT

marek.dzwonnik@ep.com.pl

Podsumowanie

Przygotowuj¹c powyøsze zestawie-

nie, skoncentrowa³em siÍ przede

wszystkim na zwiÍz³ym omÛwieniu za-

sadniczych cech konstrukcyjnych rzu-

tuj¹cych na sposÛb eksploatacji,

a†w†szczegÛlnoúci na proces ³adowa-

Reklama czo³owego producenta aku-

mulatorÛw i ogniw zasilaj¹cych -

firmy GP Batteries - znajduje siÍ na

stronie 74.

Elektronika Praktyczna 5/2003

Ogólne

Ni-Cd/Ni-MH

Lead-Acid

RAM

Li-Ion/Li-Po

Ró¿ne

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: