W dniu 2011-07-24 16:29, snipped-for-privacy@poczta.pl pisze:
[...]No dobra... pozwólcie że wyjaśnię kilka kwestii związanych z bateriami litowo-jonowymi i ich układami.
Po pierwsze, ogniwa litowo-jonowe (to co popularnie nazywane jest ogniwem litowo-polimerowym, tak naprawdę jest ogniwem litowo-jonowym w którym ciekły elektrolit został związany do postaci polimeru nasączającego separator pomiędzy elektrodami ogniwa) posiadają następujące kombinacje (najpopularniejsze):
- Lithium Iron Phosphate - LiFePO4
- Lithium Cobalt Oxide - LiCoO2
- Lithium Manganese Oxide Spinel - LiMn2O4
- Lithium (NCM) - Nickel Cobalt Manganese - Li(NiCoMn)O2
- Lithium Titanate Oxide (LTO) - Li4Ti5O12
W zależności od ich "chemii" dysponujemy różną pojemnością ogniwa, dostępnym zakresem temperatur, różną reakcją na zwarcia i przeładowanie. Np. ogniwa LiFePO4 nazywane są bezpiecznymi, ponieważ podczas zwarcia - przebicia gwoździem czy przeładowania nie zachodzi reakcja w której produkowany jest tlen podsycający proces destrukcji ogniwa i okolic, chyba najgorsze pod względem wybuchowości są LiCoO2.
Kolejny podział ogniw wynika z rodzaju ich użytkowania:
- Ogniwa dedykowane do oddawania mocy, mają możliwość oddawania prądu będącego wielokrotnością nawet do 40C. Ponieważ coś za coś, to z reguły mają kiepską sprawność, co m.in oznacza że generują sporo ciepła przy rozładowaniu i ładowaniu.
- Ogniwa dedykowane do sprawności przechowywania energii, rzadko mają prąd rozładowania większy od 1C, za to doskonale magazynują każdy przekazany mA.
I teraz jak to jest z ładowaniem i rozładowaniem. Na początek kilka mitów i faktów:
- Pojemność celi podana w mAh czy Ah nie mówi wiele o maksymalnej pojemości... wot niespodzianka ;) Skąd to wynika. Mianowicie producenci ogniw uznają że ogniwo nadaje się do użytku do momentu utraty 80% znamionowej pojemności. Oznacza to, że jeżeli producent ogniwa deklaruje pojemność znamionową 200Ah to ogniwo nadaje się do użytku tak długo, jak podczas rozładowania z parametrami producenta napięcie ogniwa spadnie do dozwolonej minimalnej wartości po oddaniu 160Ah. Tutaj oprę się o przykładowego datasheet-a Dow Kokam: do celi SLPB160460330H. Kto chce to znajdzie w googlu. No i niby fajnie ale nie wiemy ile cykli ogniwo przeżyje. I tu wszystko zależy od sposobu ładowania i rozładowania. Generalnie wszystkie ogniwa Li-Ion najbardziej lubią być pełne i rozładowywane nieznacznie. Nie mam pod ręką odpowiedniego dokumentu, ale zależność mniej więcej jest taka że jeżeli prąd będzie równy 1C, rozładowanie do 90% i naładowanie do 100% to takich cykli może przeżyć kilkadziesiąt tysięcy. To samo ogniwo gwałcone 10C przy rozładowaniu do Umin, i ładowaniu 2C do 100% przeżyje około 100-150 cykli. Do tego w zależności od temperatury, możemy uzyskać dodatkowy spadek oddawanego prądu i pojemności. Dlatego standardem jest projektowanie ogniw które pojemność maksymalną po zakupie mają od kilku do kilkunastu procent większą od nominalnej. Tylko i wyłącznie po to, żeby klient się nie czepiał. Oddzielną kwestią jest udowodnienie producentowi że ogniwa nie odpowiadają specyfikacji... prędzej wybudujesz dom z kapsli od piwa niż ktoś uzna reklamację.
- Kolejny mit: czasem na ogniwach (teraz już bardzo rzadko), zdarza się na Ni-MH, podaje się wartość np: 2000mAh i 1000x. Konia z rzędem temu kto dojdzie co producent miał na myśli. Mianowicie chodzi o to że podczas życia ogniwa można z niego pobrać 2000 * 1000 = 2 000 000 mAh. Wcale nie oznacza to że przez 1000 razy pod rząd można z niego będzie uzyskać 2Ah. W końcu ostatnie 200 cykli po 200mAh też się liczą do sumy ;) W ogniwach Li-Ion tą praktykę dawno zarzucili, przyjmuje się że 80% pojemności to koniec życia ogniwa i słusznie. Bo to co się dzieje poniżej to już nie bardzo nadaje się jako magazyn energii ;)
No dobra... tyle tytułem wstępu... do sedna przystąp.
W kwestii każdego połączenia ogniw w baterii, o całości baterii decyduje najsłabsze pojemnościowo ogniwo - tego nie trzeba komentować. Problem z ogniwami Li-Ion polega na tym że po przekroczeniu minimalnego lub maksymalnego dozwolonego napięcia ich pojemność na wskutek uszkodzeń chemii drastycznie maleje. Dla przykładu przekroczenie końcowego napięcie ładowania o 0.05V (tak słownie 5 setnych) potrafi obniżyć pojemność o kilka procent podczas jednego cyklu rozładowanie -> ładowanie. Przy rozładowaniu jest troszkę lepiej bo trzeba dobić do ok.
0.15V aby podobnie uszkodzić ogniwo.I teraz: powstaje zasadnicze pytanie, dlaczego pomimo deklaracji o nieistniejącym efekcie pamięciowym im częściej się podładowuje komórkę, laptopa tym ma się wrażenie że mniej energii się w niej magazynuje. Kolejne dobre pytanie, po co producent i sprzedawcy zalecają początkowe kilkukrotne naładowanie do pełna + kilka godzin i rozładowanie do wyłączenia.
Ponieważ musimy jakoś chronić ogniwa przed przeładowaniem lub rozładowaniem, musimy do środka włożyć troszkę elektroniki. Teoretycznie wystarczy nam funkcjonalność taka:
- ograniczenie prądu - napięcia przy ładowaniu
- odłączenie ogniw od odbiornika przy rozładowaniu, wzroście temperatury i przeładowaniu. No i pięknie, wiemy co chcemy, mamy elektronikę, ogniwa i możemy sprzedawać bateryjki do komórek ;) No tak... tylko skąd telefon czy laptop ma wiedzieć w jakim stanie naładowania znajdują się cele w akumulatorze ? A co jeśli ktoś postanowi przełożyć swój akumulatorek do czyjejś komórki... W teorii można obserwować napięcie i przy zbliżeniu się do minimalnego napięcie odciąć zasilanie. Problem polega na tym że napięcie w stosunku do stanu naładowania ma się mocno nieliniowo, do tego połączenie szeregowe wykluczy jakiekolwiek wnioskowanie na podstawie napięcia. A sprawę dodatkowo skomplikuje zmiana temperatur.
Dlatego wszystkie aplikacje akumulatorów Li-Ion w których potrzebne jest podawanie stanu pojemności akumulatora SoC (state of charge), muszą zawierać popularnie zwany coulomb counter, czyli licznik przepływającego ładunku (prądu).
I finalnie... to właśnie od tego układu zależy jak bardzo poprawnie będzie zachowywał się telefon, laptop mp3 czy cokolwiek innego. W najprostszej aplikacji do środka wkładamy rezystor o wartości kilku setnych (dziesiętnych) oma i mierzymy prąd. Dodatkowo powinno się mierzyć napięcie na ogniwach (każdym), a wyposażenie układu w pomiar temperatury... bezcenne. W najczęstszych aplikacjach zwykle stosuje się pojedyncze scalaki robione pod zamówienie producenta. Ponieważ dość późno już.. to rozważę przypadek najbardziej wypasiony. Jeżeli producent był hojny, to mamy do dyspozycji pomiar prądu, napięcia na każdej celi i temperatury. To pozwala na dość szybkie i precyzyjne naładowanie ogniwa i oszacowanie jego pojemności. Załóżmy że: ogniwo znamionowo ma mieć 1000mAh, ogniwa są dwa, połączone szeregowo. Optymalnie po złożeniu w całość, taką baterię wypadało by rozładować do końca małym prądem, zresetować licznik SOC, naładować do pełna (0.2C), po drodze balansując ogniwa, policzyć ile się zmagazynowało (dodać prąd odjąć to co podczas balansowania i końcowego ładowania poszło w ciepło) ustawić SOC na 100% i gotowe. ;) Oooo pardon... należy jeszcze w tym wszystkim uwzględnić przebieg temperatur. Proste... prawda? ;) Teraz wystarczy policzyć o ile mniej będziemy mieli danych do obliczania SoC jeżeli prąd będziemy mierzyć na tanim rezystorze pomiarowym, adc 8 bitowym zamiast 16 bitowym i w dodatku samplując co 20mS zamiast co 20uS.
Stąd tak na prawdę wynika zachowanie akumulatora. Z jakości układu liczącego zachowany ładunek i zastosowanych algorytmów. Oczywiście jak ogniwa będą padczkowe to nic nie pomoże... ale zaszkodzi na pewno.
Konstrukcyjnie w elektronice akumulatorów najczęściej jest tak że licznik SoC sobie, a zabezpieczenia przed zwarciem, rozładowaniem, przeładowaniem i przekroczeniem temperatury sobie, ergo są to najczęściej komparatory podpięte do nisko płynącego temperaturowo napięcie odniesienia fizycznie odcinające mosfeta który pełni rolę wyłącznika. Stąd wynika zjawisko widoczne po pewnym czasie, polegające na tym że niby mamy połowę energii w komórce a po odebraniu czy zadzwonieniu telefon się wyłącza po kilku sekundach.
I w końcu podsumowując przydługi post odpowiedzi na pytania.
- Po co zaleca się kilkukrotne rozładowanie do wyłączenia i naładowanie do max + kilka godzin? Właśnie po to aby pozwolić układowi SoC zebrać poprawne informacje na początku użytkowania. Tylko i wyłącznie od jakości algorytmu i zastosowanych elementów pomiaru zależy jak ten układ będzie liczył. I najprościej jest wykonać początkowo taką właśnie serię. Dodatkowo w przypadku gdy układ wyposażono w rezystory balansujące (nie oszukujmy się... w małych akumulatorkach mają one około 40-300 om) dodatkowy czas po naładowaniu do pełna, pozwoli na zbalansowanie cel (co swoją drogą też nie jest idealnym rozwiązaniem, ale na pewno pomoże). Przyspieszanie wyładowywania w tym czasie (mp3 + wifi + bluetooth + ekran na max + dioda latarka) na pewno nie pomoże.
- Czy ogniwa LiIon cierpią na efekt pamięciowy ? Na ten znany z ogniw Ni-Cd na pewno nie (a w końcu do tego sprowadza się definicja efektu pamięciowego). Należy pamiętać że chemia ogniwa lubi być w jak najwyższym stanie naładowania i to jak najczęściej. Jedynym problemem który wtedy występuje jest niestety fakt że licznik SoC w takim przypadku nie potrafi precyzyjnie działać. Prędzej czy później rozminie się dość mocno z prawdą i wtedy są dwie opcje. Przy poprawnie zbudowanym algorytmie wystarczy 1-2 razy rozładować do wyłączenia i naładować do max + kilka godzin. Przy kiepskim algorytmie nic nie pomoże.
I to chyba tyle tytułem zakończenia. Mam nadzieję że pomogłem rozwiać kilka wątpliwości, zwłaszcza cierpliwym którzy doczytali do końca.
Pozdrawiam Miłosz.