Lithiové baterie a vstupní napětí 8,4 V: správné nabíjení, měření a kompatibilita

Lithiové baterie patří k opakovaně nabíjitelným bateriím, tzv. akumulátorům, které se díky vysoké kapacitě používají v přenosné spotřební elektronice. Použít je můžete do nejrůznějších svítilen, čelovek, drobného ručního nářadí, elektronických cigaret, apod.

Li-ion články se ale často využívají také pro výrobu baterií do elektrokol a aku nářadí. V současné době jde vedle baterií Li-Pol o nejčastěji používaný typ akumulátorů.

U označení 8,4 V je nutné rozlišovat mezi jmenovitým napětím baterie, jejím okamžitým napětím, napětím naprázdno a konečným nabíjecím napětím. Samotný údaj 8,4 V proto neříká všechno o kompatibilitě baterie ani nabíječky.

Co znamená vstupní napětí 8,4 V

Napětí Li-ion baterií je 3,6V (3,7V dle značení EU nebo USA). Baterie s několika do série zapojenými Li-ion články jsou schopné generovat násobky tohoto napětí (7,2 V, 10,8 V, 14,4 V, 18 V, atd.).

Označení 8,4 V obvykle souvisí s baterií tvořenou dvěma sériově zapojenými články, u nichž je konečné nabíjecí napětí přibližně 4,2 V na článek. Dva články v sérii proto mohou mít při plném nabití celkové napětí 8,4 V.

Jmenovité napětí a konečné nabíjecí napětí však nejsou stejné hodnoty. Běžný samostatný Li-ion článek má jmenovité napětí přibližně 3,6-3,7 V, ale při nabíjení je nutné respektovat přesné mezní hodnoty stanovené výrobcem konkrétní baterie.

Napětí naprázdno a pracovní napětí

Napětí naprázdno označuje potenciální rozdíl mezi kladným a záporným pólem baterie, když baterie nepracuje, to znamená, když obvodem neprotéká žádný proud.

Obecně platí, že napětí naprázdno lithium-iontová baterie je asi 4.1-4.2V po plném nabití a asi 3.0V po vybití.

Pracovní napětí, také známé jako svorkové napětí, označuje potenciální rozdíl mezi kladným a záporným pólem baterie v pracovním stavu, to znamená, když obvodem protéká proud.

V pracovním stavu vybití baterie, kdy proud protéká baterií, není třeba překonávat odpor způsobený vnitřním odporem baterie, takže pracovní napětí je vždy nižší než napětí naprázdno, což je při nabíjení naopak.

U baterie s označením 8,4 V proto může být skutečné naměřené napětí nižší, pokud je baterie zatížená, nebo pokud ještě není plně nabitá. Hodnota naměřená bez připojené zátěže představuje napětí naprázdno, nikoli automaticky napětí během provozu.

Proč dvě série článků dosahují 8,4 V

Li-ion článek má zpravidla jmenovité napětí přibližně 3,6-3,7 V. Při sériovém zapojení se napětí jednotlivých článků sčítá, zatímco kapacita v ampérhodinách zůstává přibližně stejná jako u jednoho článku stejného typu.

U dvou sériově zapojených článků lze proto orientačně rozlišit:

• jmenovité napětí přibližně 7,2-7,4 V,
• plně nabité napětí přibližně 8,4 V při hodnotě 4,2 V na článek,
• nižší provozní napětí během vybíjení,
• nutnost chránit a řídit oba články v sériové sestavě.

Nejprve si je třeba uvědomit, že i když je na jednotlivých Li-Ion akumulátorech napsané jmenovité napětí 3,6 V a i rozměrově jsou shodné, není možné je vždy v aplikacích zaměňovat.

Celý problém spočívá v tom, že výrobci používají různé druhy elektrod, separátorů i elektrolytů a pracovní rozpětí napětí je různé.

Konečné nabíjecí napětí se pohybuje od 4,0 V do 4,3 V, objevují se však Li-Ion akumulátory, které potřebují k plnému nabití 4,5 V.

Podobně je tomu i u konečného vybíjecího napětí, kde se hodnoty pohybují od 2,5 do 3,0 V.

Proto je třeba při konstrukci nových zařízení znát katalogové údaje výrobce daného typu lithiového akumulátoru.

Nabíjení Li-ion baterie s konečným napětím 8,4 V

Lithium-iontové baterie se obvykle nabíjejí v režimech konstantního proudu a konstantního napětí.

První stupeň se nabíjí konstantním proudem: když napětí dosáhne předem stanovené hodnoty, druhý stupeň se nabíjí konstantním napětím a proud se postupně snižuje.

Když nabíjecí proud klesne na nulu, baterie je plně nabitá.

Toto je v současnosti nejpoužívanější způsob nabíjení lithiových baterií.

Nabíjení začíná ve fázi konstantního proudu, při které je napětí baterie nízké a nabíjecí proud je stabilní a konstantní.

Jak nabíjení pokračuje, napětí baterie postupně stoupá na 4.2V, v tuto chvíli by se nabíječka měla okamžitě přepnout na nabíjení konstantním napětím, kolísání nabíjecího napětí by mělo být řízeno o 1%, nabíjecí proud postupně klesá.

Když proud klesne na určitý rozsah, vstoupí do fáze udržovacího nabíjení.

Udržovací nabíjení se také nazývá udržovací nabíjení.

U dvoučlánkové baterie je třeba tento postup vztáhnout na celou sériovou sestavu. Nabíječka musí být určena pro správnou chemii článků, správný počet článků a odpovídající konečné nabíjecí napětí.

Li-ion akumulátor nabíjejte pouze nabíječkou určenou pro jeho chemii, napětí a počet článků.

Přesnost nabíjecího napětí

Lithium-iontové baterie vyžadují přesnost vysokého napětí, s chybou ne větší než 1 %.

V současnosti se běžně používá baterie se jmenovitým napětím 3.7V a nabíjecí ukončovací napětí baterie je 4.2V, takže přípustný rozsah chyb je 0.042V.

U baterie s konečným nabíjecím napětím 8,4 V je proto přesnost nabíjecího napětí zásadní. Překročením předepsaných mezních hodnot, byť by se jednalo o pouhé desetiny či setiny voltu, dochází k rozpadu elektrod a tím i k úplnému znehodnocení akumulátoru.

Tyto hodnoty nenajdete totiž ani v normě pro lithiové akumulátory Akumulátorové články a baterie obsahující alkalické nebo jiné nekyselé elektrolyty - Akumulátorové lithiové články a baterie pro přenosné použití ČSN EN 61960 ed.2.

Rozdíl mezi 8,4 V nabíječkou a jinými nabíječkami

Nabíječka s výstupním napětím 8,4 V není univerzální nabíječka pro všechny Li-ion baterie.

Před použitím je třeba zkontrolovat, zda je nabíječka kompatibilní s typem nabíjené baterie.

Rozhodující není pouze mechanický konektor, ale také:

• chemické složení článků,
• počet článků zapojených v sérii,
• konečné nabíjecí napětí,
• nabíjecí proud,
• polarita kontaktů,
• přítomnost ochranné a řídicí elektroniky,
• typ konektoru a jeho zapojení.

Baterie musí být správně připojena.

Neobracejte polaritu!

Ochranná elektronika a BMS

Ve všech aplikacích vždy doprovází Li-Ionový akumulátor nějaká elektronika.

Její význam spočívá ve vyrovnávání napětí jednotlivých lithiových akumulátorů v baterii při nabíjení i vybíjení, většinou je tam ještě proudová pojistka proti zkratu a teplotní čidla.

U dvou sériově zapojených článků elektronika sleduje nejen celkové napětí sestavy, ale také napětí jednotlivých článků. To je důležité proto, že články nemusejí mít během nabíjení a vybíjení zcela stejné napětí.

Nesmíme však přeceňovat význam této elektroniky, která většinou řídí i konečné nabíjecí a konečné vybíjecí napětí, ale někdy je to pouze jen z hlediska bezpečnosti (podobně jako termostat s hodnotou 70 °C v NiCd nebo NiMH bateriích).

To znamená, že např. pokud je konečné nabíjecí napětí 4,2 V, tak elektronika vypíná třeba až na hodnotě 4,3 V a tato hodnota již může akumulátor znehodnocovat a mítnegativní vliv na životnost akumulátoru.

Podobně je tomu i při vybíjení.

PCB je ochranný elektronický obvod, který u samostatného článku pomáhá chránit baterii například před přebitím, příliš hlubokým vybitím nebo zkratem.

Takové články se často používají ve svítilnách a dalších zařízeních, kde je požadována ochrana přímo na baterii.

Podle specifikací Li-ion článků prodávaných na BigHobby nejsou články s PCB určené k bodování a zapojování do sériových bateriových packů; pro stavbu či repasi packu se používají vhodné články bez individuální PCB ochrany spolu s odpovídajícím systémem řízení baterie.

Bezpečnost při nabíjení

Nepoužívejte poškozené články a baterii při nabíjení nenechávejte bez dozoru nebo v blízkosti snadno hořlavých materiálů.

Li-ion bateriím nesvědčí dlouhodobé vystavení vysokým teplotám, mechanické poškození ani dlouhé ponechání ve zcela vybitém stavu.

Kontakty zabezpečte proti náhodnému zkratu a volné baterie nepřevážejte společně s kovovými předměty, například klíči nebo mincemi.

Pro delší skladování je vhodné suché, chladnější místo mimo přímé slunce a zdroje tepla; vždy se přitom řiďte pokyny výrobce konkrétního článku.

Vybíjení baterie a dolní napěťová hranice

Vybíjení lithiové baterie, za prvé, vybíjecí proud nemůže být příliš velký, příliš velký proud povede k vnitřnímu zahřívání a může způsobit trvalé poškození.

Zadruhé, napětí baterie nemůže být nižší než vybíjecí ukončovací napětí.

Pokud se ukončovací napětí stále vybíjí, dojde k nadměrnému vybití, což také způsobí trvalé poškození baterie.

Kolísání napětí baterie má velký rozdíl při různých rychlostech vybíjení.

Čím vyšší je rychlost vybíjení, tím nižší je napětí baterie při odpovídající zbývající kapacitě.

Jmenovitou kapacitu lze uvolnit, když napětí baterie klesne na 2.75 V s rychlostí vybíjení 0.2 C.

Čas vybíjecí platformy označuje dobu vybití, když je baterie plně nabitá na určité napětí.

Například změřte dobu vybíjení 3.6V baterie NCM, nabíjejte ji konstantním napětím, dokud napětí nedosáhne 4.2V, a když je nabíjecí proud nižší než 0.02C, zastavte nabíjení, tj. plně ji nabijte a poté vložte odložte na 10 minut.

Když se vybíjecí proud jakýmkoliv způsobem sníží na 3.6 V, doba vybíjení je dobou vybíjecí platformy proudu.

Protože některé elektrické spotřebiče využívající lithium-iontové baterie mají požadavky na napětí, pokud je napětí nižší než požadovaná hodnota, nebude fungovat.

Vliv vybíjecího proudu a vnitřního odporu

Rychlost nabíjení a vybíjení se vztahuje k požadované hodnotě proudu, když baterie uvolní svou jmenovitou kapacitu během stanovené doby.

1C se číselně rovná jmenovité kapacitě baterie, která je obvykle reprezentována písmenem C.

Kapacita v mAh (miliampérhodinách) vyjadřuje, kolik elektrického náboje dokáže akumulátor uložit.

Při srovnatelném způsobu použití může vyšší kapacita znamenat delší dobu provozu.

Hodnota C naopak souvisí s proudovou zatížitelností článku.

Například teoretický proud odpovídající 1C u článku s kapacitou 3000 mAh je 3 A, zatímco 3C odpovídá 9 A - vždy však respektujte maximální proud uvedený výrobcem konkrétního článku.

Do zařízení s vyšším odběrem tedy není vhodné vybírat baterii pouze podle co nejvyššího čísla mAh.

Vnitřní odpor baterie se týká odporu proudu procházejícího baterií, když je baterie v provozu.

Skládá se z ohmického vnitřního odporu a polarizačního vnitřního odporu.

Velký odpor baterie snižuje vybíjecí napětí baterie a zkracuje dobu vybíjení.

Vnitřní odpor je ovlivněn především materiálem, výrobním procesem a strukturou baterie.

Účinnost vybíjení se týká poměru skutečného množství vybité elektřiny ke svorkovému napětí za určitých podmínek vybíjení k jmenovité kapacitě baterie.

Ovlivňuje ji především rychlost vybíjení, okolní teplota, vnitřní odpor a další faktory.

Obecně platí, že čím vyšší je rychlost vybíjení, tím nižší je účinnost vybíjení.

Kapacita a skutečná výdrž

Skutečná kapacita baterie se vztahuje ke skutečnému výkonu uvolněnému baterií za určitých podmínek vybíjení, které jsou ovlivněny především rychlostí vybíjení a teplotou (takže přísně vzato by kapacita baterie měla specifikovat podmínky nabíjení a vybíjení).

Rychlost samovybíjení, známá také jako kapacita pro udržení nabití, se týká baterie ve stavu otevřeného obvodu a kapacity baterie za určitých podmínek.

Efektivita nabíjení se týká stupně, do kterého se elektrická energie spotřebovaná baterií v procesu nabíjení přemění na chemickou energii, kterou baterie dokáže uložit.

Ovlivňuje to hlavně proces baterie, složení a teplota okolního prostředí baterie.

Životnost při různých mezích vybití

Také je třeba zamyslet se nad rozdílem mezi pracovním napětím Li-Ionového akumulátoru a jeho doporučeným provozním napětím.

Pracovní napětí slouží k zjišťování jmenovité kapacity, ale doporučené provozní napětí je rozsah, kdy akumulátor dosahuje daleko větší životnosti.

Pokud máme akumulátor s pracovním napětím 2,5-4,2 V, pak v tomto režimu je schopen dát přibližně 500 cyklů.

Ale pokud je vybíjení ukončeno na 3,0 V, pak se jeho životnost pohybuje už i přes 1500 cyklů (podobně jako u NiCd a NiMH akumulátorů, pokud využijete pouze 10 % jejich kapacity, životnost těchto baterií je i 10 000 cyklů.

Tento příklad je v rozporu s podvědomím většiny uživatelů Li-Ionových akumulátorů, kteří podle dřívějších návodů k použití prezentovaných dovozci souprav mobilních telefonů nechávají své zdroje úplně vybít.

Konektory, polarita a připojení

Volitelné typy konektorů: XT60, XT90, Anderson 50A, Anderson 45A, krokodýlové svorky, M8, M25(2+1+5)，M25（2+4）, XLR, IEC C13, DC 5,5 x 21/2,5, GX16-2 (1 + 2-), GX16-3 (1 + 3-), RCA atd.

U konektorů M25 (2+1+5) a M25 (2+4) je standardní polarita: pin 1+ je kladný pól a pin 2− je záporný pól.

Protože některé akumulátory s nabíjecím konektorem M25 disponují integrovanými nabíjecími protokoly, naše nabíječka tyto akumulátory nepodporuje.

Kompatibilita konektoru proto sama o sobě nezaručuje správnou funkci. Stejný typ konektoru může být použit u baterií s odlišným zapojením, napětím nebo komunikační elektronikou.

Před zapojením zkontrolujte označení kladného a záporného pólu, případně zapojení jednotlivých pinů podle dokumentace výrobce.

Rozměry článků a jejich označení

Při výběru Li-ion akumulátoru zohledněte jeho rozměry, které jsou dány číselnou řadou, jejíž první dvojčíslí značí v milimetrech průměr článku a druhé dvojčíslí jeho délku v mm.

Např. v případě typu 18650 to znamená 18 mm na šířku a 65 mm na výšku.

Nabízíme li-ion články různých délek a průměrů.

Ke značení Li-ion akum ulátrů se většinu používá číselná řada, kdy první dvojčíslí označuje v milimetrech průměr článku a druhé jeho délku.

Např. u typu 18650 to znamená 18 mm na šířku a 65 mm na výšku.

Je nutné zdůraznit, že po osazení ochrannou elektronikou PCB, mohou být akumulátory delší.

Označení jako 14500, 18650, 21700 nebo 26650 není údaj o kapacitě - jde o označení velikosti článku.

Například běžný článek 18650 má přibližně 18 mm v průměru a 65 mm na délku.

Číselné označení válcových Li-ion článků zpravidla vychází z jejich přibližných rozměrů.

Baterie 18650 má přibližně 18 mm v průměru a 65 mm na délku, 21700 přibližně 21 × 70 mm a 26650 zhruba 26 × 65 mm.

Jednotlivé velikosti proto nelze automaticky zaměňovat, i když mohou mít podobné napětí.

Rozhodující je prostor v zařízení, konstrukce držáku a požadované elektrické parametry.

Co sledovat při výběru baterie

Při výběru Li-ion baterie sledujte především její rozměr, jmenovité napětí, kapacitu v mAh, proudovou zatížitelnost a provedení kontaktů.

Důležité je také ověřit, zda zařízení vyžaduje článek s vystouplým plusovým pólem (Button Top), plochým pólem (Flat Top), případně článek s PCB ochranou.

Vyšší kapacita v mAh obvykle znamená delší výdrž, ale sama o sobě neříká, zda je baterie vhodná pro zařízení s vysokým odběrem.

Základem je kompatibilní nabíječka Li-ion baterií, která odpovídá použitému typu článků.

Podle způsobu využití se mohou hodit také držáky článků, kontakty a další příslušenství pro bezpečné připojení baterie.

Příklady použití Li-ion článků

Ano, Li-ion články se používají v celé řadě zařízení, ale vždy záleží na jejich konkrétních požadavcích.

Ve svítilnách a čelovkách jsou časté například články 18650 nebo 21700, zatímco v RC technice je nutné věnovat zvýšenou pozornost také proudové zatížitelnosti a požadovanému napětí.

Li-ion články se využívají rovněž při konstrukci bateriových sestav a powerbank.

Pro výkonné RC modely se přitom často používají také Li-Pol RC baterie, které mohou nabídnout vyšší proudovou zatížitelnost.

Jestli Li-ion články pořizujete jako zdroj energie na výlety, kempování nebo práci v terénu, můžete je využít také v kompatibilních svítilnách a čelovkách.

Vybírejte nabíjecí Li-ion Baterie CP 18650 2600mAh bez PCB ochrany, které lze bodovat do packu.

Vhodné pro repase baterií do AKU nářadí, powerbank, apod.

V naší nabídce najdete Li-ion baterie s kapacitou až 5 000 mAh a s rozměry, které snadno přizpůsobíte vašemu využití.

Kontrolní postup před připojením nabíječky

1. Ověřte, zda jde o Li-ion baterii a zda nabíječka odpovídá její chemii.
2. Zkontrolujte počet článků zapojených v sérii.
3. Ověřte jmenovité napětí a konečné nabíjecí napětí.
4. Zkontrolujte, zda je nabíječka určena pro vstupní nebo nabíjecí napětí 8,4 V.
5. Porovnejte nabíjecí proud s hodnotou povolenou výrobcem baterie.
6. Prověřte polaritu konektoru a zapojení jednotlivých pinů.
7. Zkontrolujte stav baterie, kabelu, konektoru a ochranné elektroniky.
8. Baterii během nabíjení umístěte mimo snadno hořlavé materiály a nenechávejte ji bez dozoru.

Nejbezpečnější je řídit se katalogovými údaji výrobce konkrétního článku nebo bateriového packu, nikoli pouze jmenovitým napětím uvedeným na obalu.

tags: #lithiove #baterie #vstupni #napeti #8 #4v