Що таке літій-полімерний акумулятор (LiPo)?

У наш час переносні та мобільні пристрої набувають все більшої популярності. Це можуть бути і телефони, і реєстратори, і вимірювальні прилади, і bluetooth-колонки, та інші різні гаджети. У всіх цих пристроях широко використовуються як живильні елементи літій-полімерні акумулятори (Li-Po).

Літій полімерний акумулятор в радіоприймачі

Такі акумуляторні батареї мають чудову густину енергії на кілограм, так званий Вт × годину /кг (Wh/kg) або на англійський манер gravimetric energy density. Цей параметр показує, скільки енергії містить акумулятор чи конденсатор стосовно його масі. Наприклад, автомобілі Тесла використовують у своїх електрокарах акумулятори із щільністю енергії 254 Вт × годину/кг.

Є також такий параметр, як густина енергії по відношенню до об'єму або на англійський манер volumetric density energy. Цей параметр показує скільки енергії містить акумулятор чи конденсатор стосовно його обсягу. Цей параметр відображається як Вт×час/літр або на англійський манер Wh/L. Не забуваймо, що обсяг можна виражати також у літрах.

Графік ефективності різних типів акумуляторів виглядає так:

Графік ефективності акумуляторів різних видів

Види літій-полімерних акумуляторів

В даний час існує безліч літій-полімерних акумуляторів різних форматів і видів.

Види літій-полімерних акумуляторів

Літій-полімерні батареї можна поділити на види. Існують одноелементні батареї, які мають номінальну напругу в 3.7 Вольт, а також багатоелементні батареї, які складаються з з'єднаних паралельно або послідовно одноелементних акумуляторів. Не важко здогадатися, що в першому випадку йдеться про збільшення потужності батареї, а в другому – напруги.

Послідовне та паралельне з'єднання джерел живлення

Отримуємо, що якщо послідовно з'єднувати одноелементні LiPo акумулятори, то можна збільшувати кратно їх загальну напругу.

*cell — елемент, комірка.

Одноелементні акумулятори найчастіше можна побачити у ваших мобільних телефонах та інших гаджетах.

Багатоелементні акумулятори використовуються в більш енергоємних пристроях, такі як електровелосипеди, електроскутери та ін.

Схема контролю та захисту акумуляторної батареї

На простому одноелементному акумуляторі ми можемо побачити термоскотч, який закриває контакти акумулятора

літій полімерний акумулятор без схеми захисту

Іноді дешеві одноелементні акумулятори не мають плати захисту та контролю від перезаряду та розряду. Вихідні контакти у цьому випадку виходять прямо з батареї.

акумулятор без схеми контролю та захисту

Але на більшості акумуляторів все-таки присутня схема захисту та контролю заряду (BMS-контролер)

акумулятор зі схемою захисту та контролю заряду

Тут ми можемо побачити мікросхему-контролер DW01x, яка виконує одразу кілька функцій.

контролер заряду DW01

Такі контролери спеціально розроблені для захисту літій-іонних/полімерних батарей від пошкодження або зменшення терміну служби через перезарядження, перерозрядження та/або надструмів.

Іноді можна побачити мікросхему 8205, яка є складання з двох N-канальних MOSFET транзисторів, які управляються контролером DW01x.

мікросхема 8205 у літій-полімерному акумуляторі

8205 мікросхема

Зібрана схема заряду для Li-Po одноелементної батареї виглядає приблизно так:

схема захисту літій-полімерного акумулятора

Як ви могли помітити, мікросхема 8205 представлена у вигляді двох МОП-транзисторів.

Існує безліч модулів для зарядки одноелементних батарей. Тут виразно видно мікросхеми DW01A, 8205A, а також незнайому нам TC4056A, яка є ще одним програмованим контролером. Вона задає струм зарядки, напруга тощо. з джерела живлення.

модуль контролю та захисту заряду для літій-полімерних батарей

Що буде, якщо ми взагалі приберемо схему захисту та контролю? Отже, для цього нам знадобиться простий стенд.

Беремо ось такий акумулятор

і чіпляємо його до нашої LiPo батареї без схеми захисту та контролю заряду, тобто безпосередньо до її виводів

Протягом кількох секунд батарею спочатку пучить

літій-полімерна батарея, що здулася

А потім вона вибухає.

літій-полімерна батарея, що вибухнула

Тому схема контролю та захисту дуже важлива для LiPo акумуляторних батарей.

Параметри схеми захисту та контролю

Давайте розберемо деякі параметри схеми захисту та контролю на літій-полімерну батарею на базі мікросхеми DW01-P

Відразу можна помітити, що якщо до батареї з напругою самого елемента в 3.9 не підключене ніяке навантаження, то схема захисту і контролю буде «їсти» 3 мкА. Це взагалі копійки. Якщо ж на елементі буде 2, то схема піде в так званий дуже економний режим і буде їсти максимум 0,1 мкА, тобто майже нічого.

Ну, тепер можна перейти до більш цікавих параметрів.

Overcharge Protection Voltage

Українською, захист від переЗАРЯДУ. У нашому випадку типове значення цього параметра становить 4.25 В. Тобто коли наша батарея зарядиться до 4.25 В, спрацює захист і батарея перестане споживати струм.

Давайте перевіримо це практично. Виставляємо на блоці живлення значення 4.2 Вольта

і починаємо заряджати наш акумулятор. Про те, що акумулятор почав заряджатися, показує індикація сили струму. На даний момент вона дорівнює 0.72 Ампера.

Але що станеться, якщо ми подамо більшу напругу на батарею? Виставляємо 4.5 і дивимося на споживання струму акумулятором.

Як ви могли помітити, споживання енергії відразу впало до нуля, що говорить нам про те, що спрацював захист. Напруга більш ніж 4.2 Вольта для Li-ion/Po акумуляторів вважається вбивчою. В даному випадку схема захисту та контролю заряду відмінно впоралася зі своєю роботою.

Overcharge Release Voltage

Дуже цікавий параметр. Отже, у нас батарея «наїлася» електричного струму до 4.25 В. Схема захисту її відключила від подальшого заряду, інакше б вона бабахнула, як у досліді вище. Але ось було б неправильно, якщо зарядка батареї тривала б після того, як напруга на батареї просіла б, припустимо, до 4.24 В. Що знову заряджати батарею? Знову зайвий раз «смикати» ключі на мосфетах? Навіщо? Тому вводять так званий гістерезис. Коли напруга на самому елементі просяде до цього значення, він знову почне заряджатися.

У нашому випадку типове значення становить 4.05 В. Тобто якщо напруга батареї просяде до цього рівня, схема контролю та захисту знову продовжить заряд акумулятора до рівня Overcharge Protection Voltage.

Overdischarge Protection Voltage

Захист від переРОЗРЯДУ.

Досягши цього значення, батарея йде у глибоку сплячку. Але чому так відбувається, що вона не хоче заряджатися? Справа якраз у параметрі Overdischarge Release Voltage (про нього нижче).

Overdischarge Release Voltage

Поки розряджена батарея не досягне цього рівня, всі спроби зарядити її марні, якщо безпосередньо подати електричний струм відразу на висновки акумулятора, хоча в цьому режимі вона все одно може заряджатися, але дуже довго. Тобто в нашому випадку, щоб знову можна було заряджати батарею, на елементі має бути напруга не менше 3 В. Якщо буде менше, заряд просто не піде.

Ех, скільки було викинуто таких батарейок на звалище людством! Люди думали, що батарея повністю здохла і відмовлялася заряджатися. А всього треба було трохи підзарядити елемент до рівня дозволу зарядки Overdischarge Release Voltage і спокійно далі заряджати акумулятор.

Overcurrent Protection

Также есть замечательный параметр, как перегрузка по току Overcurrent Protection. В нормальном режиме микросхема DW01x постоянно контролирует ток разряда на своем выводе CS. Здесь есть два пути развития событий:

Також є чудовий параметр, як перевантаження по струму Overcurrent Protection. У нормальному режимі мікросхема DW01x постійно контролює струм розряду своєму виводі CS. Тут є два шляхи розвитку подій:

• якщо на нозі CS буде напруга 150 мВ (перевантаження струмом), то через 10 мс батарея піде «спати» і повністю відключить навантаження
• якщо на цій нозі буде напруга 1.35 (режим короткого замикання виводів) то батарея піде «спати» менше, ніж за 500 мкс. Тобто як тільки замкнули вихідні контакти акумулятора - контролер миттєво відключає навантаження).

Для того, щоб батарея вийшла з режиму сну, треба повністю відключити навантаження, або зробити так, щоб навантаження перевищувало 500 кОм.

Коротке замикання без схеми захисту та контролю

А якщо влаштувати коротке замикання батареї без схеми захисту та контролю? Для цього прибираємо цю плату (контролер заряду) і закорачуємо виводи батареї накоротко. За кілька секунд бачимо, що її вспучує і розриває.

Майте на увазі, що составні батареї не мають вбудованої схеми захисту та контролю, оскільки в основному призначені для силових пристроїв.

Тому, з ними потрібно бути якомога обережнішими, не замикати накоротко клеми батареї та не перевантажувати її по струму. Для правильного заряду літієво-полімерних акумуляторів існують спеціальні розумні зарядні пристрої, що забезпечують повний контроль заряду акумулятора.

або спеціальний модуль для заряду таких акумуляторів

У нашому каталозі Ви можете придбати акумулятор Li-Pol від якісного виробника Liter Energy за низькою ціною. Є зручний підбір акумуляторів за розміром.