ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЗАРЯДА, РАЗРЯДА ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ МОДУЛЕЙ

В современном мире элементная база совершенствуется стремительными темпами, за счёт чего появляется всё больше и больше зарядных устройств с широким набором функций, но существует не так много автоматизированных систем, которые будут не только производить заряд, но и предоставлять графическое отображение протекающих процессов в аккумуляторных батареях, вести и сохранять статистику.

Устройства для зарядки литий-ионных батарей схожи по методике работы с зарядным устройствами, предназначенными для свинцово-кислотных батарей, они оба ограничивают напряжение при заряде. Отличаются они тем, что у литий-ионных батарей более высокое напряжение на один элемент, меньший диапазон отклонений напряжения заряда и им не требуется компенсационный заряд, то есть струйная подзарядка для достижения батареи максимальной емкости.

Свинцовые аккумуляторы имеют широкий диапазон окончания заряда, в то время как литий-ионные батареи здесь проигрывают. Величина конечного напряжения всегда строго задается определенным значением.

В период зарождения литий-ионных аккумуляторов использовались графитовые примеси и требовалось ограничение в 4,1 В на каждую ячейку. При повышении данного порога плотность энергии в структуре возрастала, но необратимые химические процессы, происходящие в это время заметно уменьшали срок использования. В дальнейшем этот эту проблему ликвидировали путём добавления химических присадок, благодаря этому тем батареи имеют порог напряжения в 4,2 В, а отклонение колеблется в пределах +/- 0,05 В на ячейку.

В военной промышленности аккумуляторам на основе ионов лития нужно обладать большим сроком эксплуатирования, чем их аналогам в коммерческой сфере. В связи с этим их верхний порог напряжения заряда ограничивается 3,9 В на одну ячейку. Несмотря на то, что при таком напряжении плотность энергии в аккумуляторе ниже, чем у бытовых экземпляров, они все равно выигрывают конкуренцию у других химических составов за счёт большего периода эксплуатации, габаритов и веса.

На рисунке 1 показан цикл зарядки аккумуляторов с ионами лития при токе 1С, где С – это электрическая емкость батареи. Как можно заметить при таком значении тока аккумулятор достигнет своей максимальной емкости примерно за два часа. В диапазоне от 0 до 1,25 часа ток держится на постоянной отметке в 1200 мА, а затем, когда батарея доходит до порогового напряжения, он резко снижается до величины в 5% от начального значения [1].

Рисунок 1. Процесс заряда аккумулятора на основе ионов лития

На рисунке 2 представлено более подробное описание цикла заряда литий-ионного аккумулятора, состоящего из 3 этапов. На первом этапе через аккумулятор протекает максимальный ток заряда, пока напряжение на нем не достигнет порогового значения 4,2 В. Стоит заметить, что если поднять ток заряда выше максимального, то на времени заряда это, если и скажется, то очень несущественно. Да, напряжение на аккумуляторе будет нарастать быстрее, но из-за этого увеличится время второго этапа, когда будет проходить подзарядка батареи. На втором этапе, когда максимально напряжение на аккумуляторе достигнуто, ток заряда начинает постепенно уменьшатся до тех пор, пока батарея не зарядится полностью. На границе второго этапа наступает момент прекращения заряда, когда величина тока заряда уменьшается до 3% от начального значения.

Существуют такие устройства заряда, в которых отсутствует второй этап зарядки и аккумулятор в таком случае заряжается не полностью (примерно на 70 %).

Рисунок 2. Полный цикл заряда литий-ионных аккумуляторов

В течение времени, если литий-ионная батарея не используется, в ней возникает явление саморазряда. Поэтому существует ещё 3 этап зарядки, при котором зарядное устройство за короткое время подзаряжает батарею постоянным током, чтобы компенсировать её саморазряд. Такую процедуру необходимо проводить через каждый 600 ч или раз в 25 дней, либо обращать внимание, когда напряжение при холостом ходе снижается до 4,05 В на одну ячейку и заряжать батарею, пока её напряжение не поднимется до 4,2 В [2].

Перейдем к экспериментальным исследованиям заряда и разряда литий-ионных аккумуляторных батарей. Исследования будут проводиться при помощи автоматизированной системы, схема электрических соединений которой представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема электрических соединений зарядной системы

На рисунке 4 представлен сравнительный график заряда аккумуляторных модулей при различных температурах.

Рисунок 4. Сравнительный график заряда аккумуляторного модуля

Видно, что при температуре +50 ºС заряд модуля происходит дольше, чем при нормальных климатических условиях. Это обусловлено паданием выработки кислорода, которой влияет на способность модуля принимать заряд.

На рисунке 5 представлен график сравнения разряда аккумуляторного модуля при пониженной температуре и нормальных климатических условиях.

Рисунок 5. Сравнительный график разряда аккумуляторных модулей

На графике видно, что при снижении температуры окружающей среды в начале разряда происходит падение напряжения на аккумуляторе, затем оно за счёт внутреннего нагрева элемента снова поднимается до определенного значения и продолжает разряд аккумуляторного модуля.

В заключении можно сказать, что к зарядке литий-ионных аккумуляторных модулей нужно подходить со всей серьезностью, и использовать специальные системы, которые будут не только производить заряд, но и предоставлять графическое отображение протекающих процессов в аккумуляторных батареях, вести и сохранять статистику, что поможет отслеживать их состояние на протяжении всего периода эксплуатации.

Список литературы:

1. Хрусталев Д. А. Аккумуляторы [Текст]. — М., Изумруд, 2003. – 89 с.
2. Абакумова Ю.П. Химические источники тока. - СПб: СПбГУПС, 2004. - 26с.