BAŠ MALO O LITIJ-ION BATERIJAMA

Nedavno smo počeli nuditi i litij-ionske baterije, a za sve one koji bi željeli znati što su one, kako rade, kako su građene, kako napraviti nekakav sustav s baterijama, ovo je članak za njih. O litijskim baterijama se može pričati/pisati stvarno puno, a u ovom tutorijalu pokušali smo pokriti osnove.

Postoje litijske baterije, koje su nepunjive, a postoje i litij-ionske/litij-polimerske baterije koje su punjive. Ovdje pričamo o ovima drugima, dakle punjivima. Zovu se litij-ionske jer ioni litija prelaze s negativne elektrode na pozitivnu prilikom pražnjenja te obrnuto prilikom punjenja. Između dviju elektroda nalazi se separator(pregrada koja ih odvaja), a sve zajedno je uronjeno u elektrolit koji omogućuje kretanje iona. Razlika između litij-ionskih baterija i litij-polimerskih je u elektrolitu, pa ćete litij-polimerske baterije pronaći u razičitim oblicima i poznatom pakiranju u srebrnoj plastici(kao npr. u mobitelima), dok će litij-ionske baterije biti zaštićene u pravilnim oblicima kučišta, kao na primjer na slici iznad.

Trenutno, litij-ionske baterije imaju najbolje karakteristike među svim vrstama punjivih baterija koje su komercijalno dostupne. Njihov nazivni napon je 3.7V(3.6V), za razliku od npr. NiMH čiji je nazivni napon 1.2V, a imaju i barem duplo veću gustoću energije od njih(gustoća energije je količina enegrije koja se može skladištiti u nekom volumenu). Osim toga, imaju minimalni memorijski efekt, dakle možete ju početi puniti i prazniti u bilokojem stanju napunjenosti bez da sama baterija trajno izgubi nešto od svoga kapaciteta. A tu je još i dugotrajnost, baterija može preživjeti 500 do 1000 potpunih ciklusa(od potpuno prazne do potpuno pune) te se može kreirati u prilično velikim kapacitetima, za razliku od drugih vrsta punjivih baterija.

Naravno, ne može baš sve biti pozitivno. Ova vrsta baterije ima i svoje negativne strane. Za početak, može biti vrlo opasna ako joj se ne pristupa s oprezom. Više o tome u odlomku dolje. Na što trebate paziti, kao dizajner nekakvog sustava i/ili korisnik baterije, je svakako da bateriju previše ne ispraznite ili previše ne napunite. Baterija, prema napunjenosti, mijenja svoj napon, pa tako kada je napunjena do kraja, ima napon od 4.2V, dok je “potpuno praznom” možemo smatrati ako ima napon manji od 2.5V. Iako, taj napon nikada ne bi trebao biti manji od 3.0V jer se riskira kapacitet baterije. Ovaj problem riješava se elektroničkim putem dodavanjem dodatnih sklopova na baterije koji prekidaju strujni krug pri prevelikom naponu ili premalom naponu na bateriji. Takav sklop naziva se PCM(Protection Circuit Management, označen zeleno na slici dolje). Isti taj sklop se brine da baterija ne daje preveliku struju, jer joj i to može biti problem, a posebno pri kratkom spoju jer tada teče maksimalna struja koju baterija može dati. Dodatno, baterija gubi podosta na svome kapacitetu kada je uskladištena.

Litij-ionske baterije ne možete samo priključiti na nekakav izvor napajanja i očekivati da će biti napunjene. One zahtjevaju posebne režime punjenja kako bi se sačuvao originalni kapacitet baterije te uopće mogla napuniti baterija do kraja. Postoje tri faze punjenja:

• – Preconditioning(predpunjenje): ne događa se uvijek, samo kada je napon baterije ispod 3V. Budući da je u ovome stanju baterija previše ispražnjena da bi bila spremna skladištiti energiju, potrebno ju je prvo dovesti do razine od 3V. Ako je napon baterije veći ili jednak od 3V prilikom priključivanja na punjač, ovaj korak se preskače.
• – Constant current(konstantna struja): u ovom koraku se baterija puni konstantnom strujom. Događa se kada je napon veći od 3V i manji od 4.2V. Struja kojom se baterija zapravo puni obično je podesiva na punjaču kojega koristite s baterijom. Obično je preporučeno puniti bateriju s 0.5C, gdje C označava kapacitet baterije. Npr., ako imamo bateriju od 1000mAh, 0.5C bi bilo 500mA. Pri takvoj “brzini” punjenja, baterija će ovaj proces završiti točno za dva sata, bez obzira na kapacitet i uz uvjet da punjač može dati traženu struju. Može se puniti i s većim vrijednostima C-a(1.0C, 2.0C), što se naziva quick charge, ali takvo punjenje smanjuje kapacitet baterije i nije preporučljivo raditi ga često. Generalno, proizvođači preporučuju 0.8C ili manje. Zanimljivo je napomenti da će quick charge skratiti trajanje ovog koraka, ali će značajno produljiti trajanje trećeg koraka u punjenju, pa će ukupno punjenje do kapaciteta od 100% biti otprilike jednako. Brzim punjenjem će se brzo doći do kapaciteta od 70% napunjenosti(poznati Tesla Supercharger), ali ako želimo postići 100% napunjenosti, trebat će nam gotovo jednako vremena kao da smo punili slabijim strujama.
• – Constant voltage(konstantni napon): treći i konačni korak u punjenju je punjenje konstantnim naponom. Događa se kada je baterija došla do određenog napona, obično od 4.2V. U ovom koraku nadopunjuje se baterija do svoga kapaciteta od 100% i obično je dosta dugotrajan. Punjenje prestaje kada struja punjenja dođe do određene razine, a ta vrijednost je na nekim punjačima također podesiva.

Krivulja punjenja jedne li-ion baterije

Posebni chipovi kreirani su za ovakve namjene punjena Litijskih baterija. Osim što implementiraju sve ove algoritme punjenja, takvi posebni ICovi imaju vrlo velike preciznosti spomenutih napona(+-50mV) i struja, jer je tolerancija baterija na takve oscilacije vrlo mala. Jedan takav modul s punjačem za litijske baterije u minimalističkoj verziji možete pronaći ovdje. Taj modul, na primjer, nema PCM – zaštitu za bateriju.

Sve do sada nismo spomenuli što znači oznaka mAh kod baterija. Npr., naša LG baterija ima 2900mAh ili 2.9Ah. To znači da bi naša baterija mogla isporučivati 2.9A tijekom jednog sata i onda bi bila potpuno prazna. U tom primjeru pražnjenje bi bilo 1.0C – također možemo mjeriti kao i punjenje, s C oznakom. Našu LG bateriju, na primjer, nije preporučljivo prazniti s 30C jer bi to vrlo brzo “ubilo” bateriju, tj. umanjilo njen kapacitet. Zbog toga su dizajnirane baterije s posebnim namjenama brzog pražnjenja. Na njima ćete često naći oznake tipa “20C” ili “30C” pa ćete znati da su to baterije koje se mogu prazniti velikm strujama, a te oznake će pokazivati maksimalne struje s kojima možete prazniti baterije. Najlakše ih susresti na modelima na radijsko(RC) upravljanje, npr. dronovima.

Generalno, ovakvu bateriju bez problema možete staviti u držač i koristiti za što već trebate. Budući da nema dodatne zaštite na sebi, već spomenuti PCM, ako napravite kratki spoj ili vučete preveliku struju iz nje, imat ćete problem. Kakav problem, pogledajte u odlomku dolje. Preporučljivo je koristiti PCM s baterijom te često sustavi koji predviđaju ugradnju li-ion baterije na sebi imaju ugrađene zaštite. Bateriju je moguće koristiti i bez PCM-a, ali uz dodatni oprez.

Dakle, generalno stvari o kojima morate voditi računa ako nema zaštitu su:
• Nemojte vući preveliku struju iz baterije(sprječite kratki spoj)
• Nemojte prepuniti bateriju (>4.2V)
• Nemojte preprazniti bateriju(<3.0V)
• Bateriju punite odgovarajućim punjačem

Iako možda izgleda zabavno, nije kada se dogodi na mjestu gdje se ne bi smjelo dogoditi 🙂 Zbog toga, svakako treba primjeniti korake zaštite iz prethodnog odlomka!