Ogniwa i pakiety Li-Po/Li-Ion

Ogniwa Li-Po (litowo-polimerowe) lub Li-Ion (litowo-jonowe) to bardzo atrakcyjny sposób na zasilanie układów elektronicznych. Dość powiedzieć, że jedno takie ogniwo daje nominalnie 3.7v – podczas gdy „zwykłe” akumulatorki NiMH/NiCd o rozmiarze AAA – jedynie 1.2v. Porównywalne pakiety oparte na NiMH są więc znacznie większe, cięższe, dłużej się ładują i dodatkowo dają nieporównywalnie mniejszy prąd. LiPo i Li-Ion są bardzo popularne do zasilania wielu urządzeń elektronicznych (telefony!) i np. zabawek R/C.

IMG_20141111_170202

Uwaga: Li-Po/Li-Ion mogą być niebezpieczne! Nigdy nie używajcie baterii, które wyglądają podejrzanie – np. są ‚spuchnięte’, noszą ślady uszkodzeń mechanicznych. Przedziurawienie takiego pakietu może doprowadzić do pożaru.

Nie wkurzaj ekologów i nie zanieczyszczaj planety – stare pakiety wyrzucaj tylko do pojemników przeznaczonych na baterie. Zaklejaj taśmą izolacyjną ich styki – zwarte będą się grzać i mogą wybuchnąć.

Używaj tylko i wyłącznie ładowarek specjalnie do nich dedykowanych. Nigdy nie pozostawiaj ładujących się pakietów bez opieki (np. na noc).

Pomiżej piszę głównie o LiPo, ale większość zasad dla LiIon jest takich samych.

Mityczny efekt pamięciowy

Jedną z często wymienianych zalet LiPo jest brak tzw. „efektu pamięciowego” – choć jego wpływ na nowoczesne NiMH jest również bardzo ograniczony.

Efekt pamięciowy polega na zmniejszaniu się pojemności ogniwa wraz z kolejnymi ładowaniami po niepełnym rozładowaniu. Li-Po można doładowywać w każdym momencie bez straty pojemności i wydajności.

Pakiet 2S? 3S?

Bateria LiPo składa się z jednego lub kilku połączonych ze sobą ogniw (cel) – dlatego często nazywamy je ‚pakietami’. Ogniwa te mogą być połączone szeregowo (pakiety ‚S’, najpopularniejsze) lub równolegle (pakiety ‚P’). W sprzedaży znajdziecie też pakiety łączone w kombinacjach S-P, np. 3S2P oznacza dwa równolegle połączone zestawy trzech szeregowych ogniw (razem 6 cel).

W przypadku pakietów szeregowych (np. 2S) napięcie całego pakietu jest sumą napięć poszczególnych cel. Maksymalnie naładowana cela LiPo daje napięcie około 4.2V. Stąd naładowany pakiet LiPo 2S da napięcie 8,4V – rozładowany już tylko 6V.

W przypadku połączeń równoległych – napięcie pakietu jest równe napięciu pojedynczego ogniwa, ale zwiększa się pojemność.

Napięcie…

Nigdy nie rozładowuj LiPo poniżej 3V/celę. Może to doprowadzić do zniszczenia baterii.

Progi napięć charakterystyczne dla celi LiPo i LiIon (różnice są praktycznie pomijalne):

Napięcie [V] Próg
4.2 Maksymalnie naładowana
3.7 Napięcie znamionowe (ma tyle, jak je kupisz)
3 Granica rozładowania bez obciążenia
2.5 Granica rozładowania pod obciążeniem
2 i mniej Degradacja ogniwa

Oznaczenia pakietów LiPo

Oznaczenia na pakietach:

Oznaczenie Parametr
500mAh Pojemność baterii; wartość 1C
S Cele połączone szeregowo (napięcia celi sumują się, pojemność ta sama)
P Cele połączone równolegle (pojemność sumuje się, napięcie jak dla pojedynczej celi)
1S bateria składa się z 1 celi; po naładowaniu daje max.  ~4.2V
2S bateria składa się z 2 celi; po naładowaniu daje ~8,4V
3S bateria składa się z 3 celi; po naładowaniu daje ~12.6V
20C Maksymalny prąd rozładowania akumulatora; wielokrotność pojemności akumulatora – tutaj:20*0,5A = 10A; 1/c[h] to minimalny czas rozładowywania

Wyprowadzenia LiPo

Na pewno zwróciliście uwagę, że wszystkie pakiety LiPo większe od 1S (czyli składające się z więcej niż jednego ogniwa) mają 2 wyprowadzenia:

  • zasilające, 2 kable (czerwony+czarny), które podłączamy do odbiornika prądu;
  • balansera.

Jeżeli chodzi o część zasilającą: prawie każdy producent ma własny rodzaj gniazd i wtyczek. W jednym rozwiązaniu używajcie produktów od jednego producenta, ograniczy to konieczność stosowania wielu przejściówek. Dla przykładu, Redox używa standardu T (DEAN). Nie jest najwygodniejszy, wtyczki ciężko wchodzą i nie ma gniazd/wtyków do montażu na płytkach PCB. Za to pomylenie ‚+’ z GND wydaje się prawie niemożliwe.

Drugie gniazdo to wyprowadzenie dla balansera. Pozwala ono na zmierzenie napięcia na poszczególnych ogniwach. Złącze to jest często używane przez monitory napięcia oraz ładowarki, które dzięki niemu mogą wyrównywać (balansować) napięcie poszczególnych cel.

Monitorowanie napięcia

Moduł monitorowania poziomu naładowania baterii powinien być elementem każdego systemu opartego na LiPo. Pamiętajcie – rozładowanie ich poniżej 3V może doprowadzić do zniszczenia nietanich przecież ogniw!

  • Przykładowy moduł monitorowania napięcia LiPo:
    IMG_20141116_114557
  • Tutaj: montaż na robocie:
    small_IMG_0329

Taki moduł monitorowania napięcia możecie również zlutować sami – kosztuje wtedy dosłownie kilka złotych.

Moduł monitorowania napięcia – zrób to sam

Więcej informacji na ten temat znajdziecie w tekście Zasilacz na szybko. Znalazłem dość ciekawe rozwiązanie monitora napięcia w tekście Low Voltage Warning Devices.

lvwSercem tego układu jest TL431: regulowane źródło odniesienia – lub, jak kto woli, programowalna dioda Zenera. TL431 zachowuje się jak dioda Zenera o napięciu 2v – ale uruchamia” się dopiero, gdy napięcie między końcówką Ref (1) a jego anodą (2) jest większe niż 2.5v. Steruje tym dzielnik napięciowy R2-R3. Napięcie na końcówce Ref będzie więc:

{U_{ref}}={{U_{zasilania}} \cdot {{R_3} \over {R_3+R_2}}}

Dla R2=4k7:

  • Przy pakiecie 1S (min. 3V): R3 = 23kΩ
  • Przy pakiecie 2S (min. 6V): R3 =3.3kΩ
  • Przy pakiecie 3S (min. 9V): R3 =1.8kΩ
  • Przy pakiecie 4S (min. 12V): R3 =1.2kΩ

Zapalenie się diod powinno wzbudzić Waszą ostrożność:)

Ładowarki

Do ładowania pakietów LiPo używajcie tylko i wyłącznie dedykowanych ładowarek.

Do ładowania pakietów LiPo używajcie tylko i wyłącznie dedykowanych ładowarek. Nie polecam tu żadnych eksperymentów. Ładowanie takich ogniw to kilkuetapowy proces, zwykłe przyłożenie prądu z innego źródła  nie wystarczy.

Kupujcie ładowarki renomowanych firm. Taka ładowarka posłuży Wam lata – nie ma co się łakomić na różne wynalazki.

Szukajcie ładowarek wyposażonych w balanser.Jest praktyczny i czasem może odratować „padnięte” pakiety.

Przy zakupie sprawdźcie, czy dany komplet jest wyposażony w odpowiedni zasilacz. W sprzedaży są bowiem często zestawy z tą samą ładowarką bez i z zasilaczem. Te bez zasilacza są tańsze nawet o 40 PLN. Jednak większość ładowarek wymaga zasilaczy 12-18V i często 5A! Zwykłe ładowarki np. USB nie są w stanie zaspokoić takiego apetytu.

Osobiście używam Redox Beta i jestem z niej bardzo zadowolony (koszt około 120 złotych).
IMG_20141111_171314

Można nią ładować (i rozładowywać) ogniwa i pakiety lipo, life, liion, nimh i ołowiowe.

Redox beta rozładowuje koszyk z 4-ma szeregowo połączonymi ogniwami li-ion 18650
Redox beta rozładowuje koszyk z 4-ma szeregowo połączonymi ogniwami li-ion 18650

Koszty LiPo

Koszty pakietów LiPo zaczynają się od 13PLN za prezentowany powyżej 500mAh 2S Redox aż po setki złotych za większe pakiety.

LiIon – mityczne 18650

Trzy ogniwa LiIon 18650 w koszyku
Trzy ogniwa LiIon 18650 w koszyku

Ogniwa LiIon sprzedawane są w różnych formatach, ale chyba najpopularniejsze są 18650. Ja też używam je najczęściej. Są większe niż standardowe paluszki AA (18 x 65mm) i wymagają innych koszyczków. Ale dają nominalnie 3.7v na celę i całkiem dużo prądu:)

A jedną z ich największych zalet jest to, że można je mieć… za darmo. Źródłem są stare baterie od laptopów. W każdej jest co najmniej 6, a nawet 9 ogniw tego typu.

liionOczywiście odzyskiwanie ogniw z tego typu źródeł może łączyć się z ryzykiem. Łatwo uszkodzić ogniwo, siebie, doprowadzić do pożaru – robicie to wyłącznie na własną odpowiedzialność. Co oczywiste, za ewentualne szkody/straty nie będziecie mogli zaskarżyć producenta:)

ALE: jeżeli wszystko pójdzie dobrze, możecie szybko i za darmo zyskać mnóstwo ogniw.

Po rozbiórce zmierzcie napięcie na każdym ogniwie. Jeżeli jest mniejsze niż 2.5v – nie ma sensu z nim walczyć, idzie do recyklingu (pamiętajcie o zaklejeniu styków). Jeżeli jest większe niż 3v – do ładowarki. Zazwyczaj pojemność takich ogniw oscyluje w granicach ok. 1Ah (z nominalny2.8Ah). Dla laptopa może to być mało, ale do większości Waszych zabawek wystarczy w zupełności.

Li-Ion możecie też znaleźć w innych formatach – np. w rozmiarze AA – oznaczenie: 14500. Zwróćcie uwagę na napis 2300 mAh:

Akumulatory LiIon - typ 14500, 3,7V
Akumulatory LiIon – typ 14500, 3,7V

Oczywiście the 2.3mAh są kompletnie oderwane od rzeczywistości. W najlepszym wypadku są to ogniwa 800mAh – a pewnie znacznie mniej.

Bezpieczeństwo Li-Ion

Niech Wam się nie wydaje, że Li-Ion to takie zwykłe bateryjki. W rzeczywistości są w środku dość skomplikowane. Zacznijmy od zabezpieczeń – są ich najczęściej trzy (na podstawie blogu mdiy.pl):

  • PTC (termistor): zabezpiecza ogniwo przed pobraniem z niego zbyt dużego prądu. Zadziała (powinno), jeżeli np. zewrzecie ogniwo. na skutek wzrostu temperatury, PTC zwiększa swoją rezystancję ograniczając w ten sposób prąd (prawo Ohma!). Gdy bateria ostygnie – rezystancja PTC wraca do niskiego poziomu i już możecie dalej czerpać energię z ogniwa.
  • CID: mechaniczny bezpiecznik, który zadziała gdy ciśnienie w baterii zbytnio wzrośnie. Może również się przepalić przy dużym prądzie – gdy PTC nie zadziała. Jednorazowy – rozwiera ogniwo, które potem już jest nie do użycia.
  • PCM: ostatnie z zabezpieczeń, elektroniczne: nie dopuszcza do przeładowania, rozładowania lub nadmiernego poboru prądu. Ogniwa odzyskiwane z baterii od laptopów takiego zabezpieczenia najczęściej nie posiadają – rolę tą pełni elektronika baterii. To wcale nie dyskwalifikuje ogniw z laptopa – PCM to najmniej efektywne zabezpieczenie i można się bez niego obyć.
Odzyskiwanie ogniw z laptopa

Po mechanicznym (ostrożnym!) rozłupaniu baterii i rozdzieleniu ogniw, sprawdzam:

  • Napięcie na ogniwie: 3.7 i więcej – rokuje nadzieję; mniej niż 3.5v – rozładowane, ale może coś z niego będzie; mniej niż 3 – szkoda zachodu.
  • Baterie ładuję do 4.2v.
  • Pozostawiam na 1-2 dni i mierzę napięcie na nich – nie powinno spaść poniżej 4.1v
  • Mierzę rezystancję wewnętrzną. Nowe ogniwa wysokiej jakości mają ją na poziomie 75-150mΩ, dobre ogniwa do 250mΩ – powyżej – nie ma sensu trzymać.

Uwagi

Gdzieś czytałem, że stosowanie akumulatorów NiCd w Unii Europejskiej jest zabronione.

Źródła

3 myśli nt. „Ogniwa i pakiety Li-Po/Li-Ion”

  1. Witam,
    Posiadam drona Phantom 4 z pakietami Li-Po model: PH4-5350 mAh-15.2V (81.3Wh) i szukam odpowiedzi na pytanie o bezpieczne przewożenie pakietów samolote. Znalazłem rozbieżne opinie na ten temat a pytałem w LOT, GJI (producent dronów) a nawet ULC (Urząd Lotnictwa Cywilnego). Kiedyś już straciłem baterię wylatując z Nowej Zealandii do Australii ale tym razem każda z moich trzech baterii kosztuje ok. 700zł więc raczej nie chciałbym rozczarowania. Czy istnieje jakiś sposób na bezpieczne podróżowanie z pakietami?
    Dziękuję za info.

  2. Witam.
    Poznaję powolutku te tematy wiec opis jak dla mnie super.I tu zapytanie mam co do przed-ostatniego zdania:
    …”Mierzę rezystancję wewnętrzną. Nowe ogniwa wysokiej jakości mają ją na poziomie 75-150mΩ, dobre ogniwa do 250mΩ – powyżej – nie ma sensu trzymać.”…
    W jaki sposób mierzysz ową Rw ?
    Jakoś nie mogę znaleźć info na ten temat – tu też ogólnie …Siedzący głęboko w temacie pewnikiem wiedzą co i jak – ja nie stą moje zapytanie…
    Za wszelkie info z góry wielkie dzięki
    pozdrawiam

    1. Witaj,
      O ile pamiętam to był to kit AVT3126. Niestety, nie mam już do niego dostępu… Teraz patrzę na: http://elportal.pl/pdf/k07/44_16.pdf – raz ten układ uruchomiłem, ale „wyszły” mi nowe ogniwa i nie miałem porównania. Oczywiście można też mierzyć „ręcznie”. Na pewno wrócę do tematu:)
      Pozdrawiam,
      Arek

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *