Как правильно заряжать литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы

Разработчики электроники должны знать идеальный метод зарядки, поскольку он увеличивает срок службы аккумулятора и улучшает его характеристики.

Литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы в настоящее время широко используются в портативных электронных устройствах, требующих частой зарядки. Эффективный метод зарядки увеличивает срок службы аккумулятора и улучшает его характеристики. Поэтому разработчики электроники должны знать об идеальной процедуре зарядки при создании устройств с аккумуляторным питанием, которые должны соответствовать промышленным требованиям.

Литий-ионные аккумуляторы

Литий – самый легкий из существующих металлов. Он обладает наибольшим электрохимическим потенциалом и обеспечивает наибольшую плотность энергии для своего веса. Литий по своей природе нестабилен, особенно во время зарядки. Поэтому исследователи сосредоточились на неметаллических литиевых аккумуляторах, в которых используются ионы лития. Плотность энергии литий-ионного аккумулятора несколько меньше, чем металлического лития, однако литий-ионный аккумулятор безопасен при соблюдении определенных мер предосторожности (при зарядке и разрядке). Первой компанией, которая выпустила на рынок литий-ионные аккумуляторы, стала Sony Corporation в 1991 году. Вскоре за Sony последовали и другие производители. На Рисунке 1 показано фото литий-ионных аккумуляторов.

Рисунок 1.	Литий-ионный аккумулятор.

Литий-полимерные (Li-Pol) аккумуляторы

Отличие литий-полимерных аккумуляторов от обычных заключается в типе используемого электролита. В оригинальной конструкции Li-Pol аккумуляторов используется твердый полимерный электролит. Этот электролит действует как пластиковая пленка, которая обеспечивает ионный обмен, но блокирует электричество. Недостатками Li-Pol аккумуляторов обычно являются высокое внутреннее сопротивление и слабая устойчивость к большим броскам тока (хотя эта проблема была решена в некоторых дорогих Li-Pol аккумуляторах большой емкости), однако они имеют лучшие показатели безопасности и могут иметь небольшую толщину. Это делает их идеальными для тонких портативных устройств, таких как сотовые телефоны и планшеты. На Рисунке 2 показан литий-полимерный аккумулятор.

Рисунок 2.	Литий-полимерный (Li-Pol) аккумулятор.

Как заряжать литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы

Что касается правил зарядки, то литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы не так уж сильно отличаются друг от друга. На Рисунке 3 показан полный цикл зарядки. Полный процесс зарядки состоит из 3 этапов: PRE Charge (предварительная зарядка), CC (constant current, постоянный ток) и CV (constant voltage, постоянное напряжение).

Рисунок 3.	Кривая зарядки литиевого аккумулятора.

Предварительная зарядка (PRE)

Этот этап относится к состоянию, когда начальное напряжение литиевого аккумулятора ниже 2.8 В. Как правило, напряжение литиевого аккумулятора (любого типа) не должно опускаться ниже 3.2 В, иначе аккумулятор мертв и нуждается в «оздоровлении». Вы наверняка сталкивались с ситуацией, когда аккумуляторы долгое время не использовались (например, в цифровой камере) и их напряжение упало ниже 3.2 В. Вы не можете включить устройство или нормально зарядить аккумуляторы.

Этап предварительной зарядки очень важен, так как если процесс зарядки начнется с этапа CC, в разряженный аккумулятор будет подан большой ток, и это еще больше повредит аккумулятор и сократит срок его службы. Поэтому процесс зарядки разряженного аккумулятора следует начинать с тока, равного 10-20% от его номинальной емкости. Например, если емкость разряженного аккумулятора составляет 2200 мА·ч, а вы планируете заряжать его током 0.5C (1100 мА), то для этапа предварительной зарядки необходимо установить зарядный ток 220 мА или даже ниже. Этап предварительной зарядки реализован во всех профессиональных зарядных устройствах. Вот как можно вернуть аккумулятор к жизни!

Постоянный ток (CC)

Если напряжение аккумулятора выше 2.8 В (или достигнуто после этапа предварительной зарядки), его можно заряжать постоянным током от 0.5C до 1C.

Зарядный ток аккумулятора указывается в техническом описании. Обычно его значение находится в диапазоне от 0.5C до 1C. Некоторые производители аккумуляторов допускают более высокие зарядные токи для ускорения зарядки, но если вы не уверены или не имеете доступа к техническому описанию, заряжайте аккумулятор током 0.5C. Например, если номинальная емкость вашего аккумулятора равна 2200 мА·ч, вы должны ограничить ток зарядки до 1100 мА.

Постоянное напряжение (CV)

Как видно из Рисунка 3, после того, как напряжение аккумулятора достигает 4.20 В (или 4.10 В для некоторых типах аккумуляторов), потребление тока уменьшается и кривые напряжения и тока переходят в этап CV. Напряжение 4.20 В является критическим значением и должно быть выдержано с точностью не менее 1%; в противном случае аккумулятор будет поврежден или взорвется!

На этапе CV напряжение остается постоянным (4.2 В), но ток уменьшается, пока не достигнет 10% от зарядного тока. Например, если вы начнете процесс зарядки током 1100 мА (0.5C для аккумулятора 2200 мА·ч), зарядку следует прекратить при пороговом значении тока 110 мА, которое свидетельствует о полном заряде аккумулятора. Многие дешевые зарядные устройства пропускают этап CV и просто отключают ток, когда напряжение аккумулятора достигает 4.2 В, но хорошее зарядное устройство должно проходить этап CV.

Как заряжать литиевые аккумуляторы

Теперь вы теоретически знаете, как заряжать литиевые аккумуляторы. Но как реализовать эти концепции на практике? У вас есть два варианта: разработать свое зарядное устройство на основе микроконтроллера и импульсного или линейного источника питания или использовать специальную микросхему зарядного устройства для литиевых аккумуляторов. Я расскажу о зарядном устройстве на специальной микросхеме, потому что его легко собрать и обслуживать.

Кроме того, вы можете встроить одну из таких микросхем в свой продукт/плату и питать схему от выхода зарядного устройства. Хорошая новость заключается в том, что обратный ток, потребляемый этими зарядными микросхемами, невелик и не разряжает аккумулятор.

На рынке представлено множество микросхем для зарядки литиевых элементов. Хорошим выбором может быть LTC1733. Это автономное линейное устройство зарядки 1-элементного литиевого аккумулятора. Оно может обеспечить максимальный зарядный ток 1.5 А. Кроме того, оно измеряет напряжение зарядки с точностью 1%. На Рисунке 4 показана базовая принципиальная схема, позволяющая использовать LT1733 с небольшим количеством внешних компонентов.

Рисунок 4.	Принципиальная схема устройства зарядки 1-элементного аккумулятора током 1 А на основе микросхемы LTC1733.

Изменяя сопротивление резистора, подтягивающего вывод P_ROG к земле, можно установить желаемый зарядный ток I_CHARGE. Сопротивление резистора R_PROG можно рассчитать по следующей формуле:

На Рисунке 5 показан ток зарядки при разных напряжениях аккумулятора. При рассчитанном сопротивлении резистора на входе P_ROG (1.5 кОм) зарядный ток для этапа CC составляет примерно 1 A. Этап предварительной зарядки называется «капельным зарядом» и выполняется током около 100 мА (если напряжение аккумулятора ниже 2.5 В).

Рисунок 5.	Ток зарядки при разных напряжениях аккумулятора.

Материалы по теме

1. Datasheet Linear Technology LTC1733