Li-ion baterie: principy, provoz, rady (2.část)

V prvním díle článku o lithiových akumulátorech jsme se podívali na historii těchto baterií, na jejich pozitiva a negativa, zabývali jsme se také rozčleněním na různé druhy, nebo tzv. paměťovým efektem. Druhá část potom pojednává o řízení jejich provozu, o životnosti, a o praktických doporučeních pro jejich uživatele.  

Ochrana a řízení provozu lithiových akumulátorů

Na následujícím obrázku vidíme velmi zjednodušené schéma klasického zapojení akumulátorových baterií pro složitější přístroje a zařízení, jako jsou notebooky nebo například radiostanice. Vlastně se jedná o zapojení s integrovanými obvody, které jsou určeny právě pro řízení nabíjení akumulátorových baterií. Často jsou používány zákaznické - širší veřejnosti nepřístupné - jednoúčelové integrované obvody. Jedná se o paměti typu EPROM nebo EEPROM.

Schéma typického zapojení akubaterie do notebooků

Výkon, životnost a provozní bezpečnost baterie závisí na provozním napětí a teplotě. Provozní napětí a teplota musí být udržována v určité oblasti, mimo níž dochází ke zničení baterie.

Jaké jsou příčiny zničení baterie?

• Nadproud během nabíjení a vybíjení
• Zkrat
• Překročení napětí
• Hluboké vybití
• Přehřátí
• Přetlak uvnitř baterie
• Zničení izolace při nehodě
• Nesprávné užití, což je používání poddimenzovaných baterií, používání nabíječů určených pro jiný typ baterie
• Prudký nárůst odběru spojený s okamžitým dočasným poklesem napětí
• Vysoká vnitřní teplota
• Provozování a skladování baterií při nízkých nebo vysokých okolních teplotách
• Vystavovaní baterií vibracím nebo mechanickým nárazům

Pověst lithiových baterií je často spojována s možností požáru nebo výbuchu. Je pravda, že lithium prudce reaguje s vodou. V normálních podmínkách však většina baterií neobsahuje volné lithium, nýbrž vázané, které s vodou nereaguje. V případě poruchového pokovení elektrod je množství uvolněného lithia minimální a požár nezpůsobuje. Většina zjištěných požárů je způsobena spíše hořením elektrolytu než hořením lithiových sloučenin při vnitřním zkratu. Vnitřní zkrat je však víceméně způsoben nezodpovědným uživatelem nebo vadnou nabíjecí elektronikou, než vadnou konstrukcí samotné baterie. Jedná se většinou o překročení nabíjecí teploty, umístění přístroje do nevhodných podmínek např. vlhkého, mokrého, s vysokými teplotami nebo s nebezpečnými látkami.

Pozor: umísťování baterií do kufru při cestách letadlem z tohoto důvodu není dovoleno!

Na obrázku níže vidíme schématické zobrazení ochrany a řízení provozu lithiových akumulátorů. Odpory R1 a R2 slouží k vyrovnávání napětí jednotlivých článků za pomoci tranzistorů T1 a T2. Tranzistory Td a Tc jsou při běžném provozu sepnuté. Pokud je při nabíjení dosaženo konečného nabíjecího napětí, dojde k rozepnutí tranzistoru T_C a tím dojde k odpojení nabíjecího obvodu. V případě vybití akumulátorových článků pod stanovenou mez dojde k rozepnutí tranzistoru T_D a přeruší se vybíjení.

Na tomto obrázku si můžeme objasnit důvod, proč se doporučuje mít baterie složené z lithiových článků ve stavu nabitém a tak je i skladovat. Pokud je v baterii jeden článek s nižší kapacitou (např. na konci životnosti) nebo s vyšším samovybíjením, dochází neustále i při vypnutém spotřebiči k vyrovnávání napětí všech ostatních článků v baterii a mohlo by dojít k vybití nejen na hodnotu konečného vybíjecího napětí, ale až na hodnoty pod povolenou bezpečnostní mez. Potom již běžné nabíječe tento akumulátor nenabijí.

Zjednodušené schéma pro řízení nabíjení lithiových akumulátorů

Jako další bezpečnostní prvek, popřípadě jako náhrada za termostat, se používají součástky dodávané pod označením polyswitch. Funkce je zde opět pouze bezpečnostní. Polyswitche vypínají jak při určité teplotě, tak při překročení nabíjecího nebo vybíjecího proudu, respektive se jedná o závislost okolní teploty a protékajícího proudu. Právě při zkratu jsou daleko rychlejší než termostaty. V lithiových bateriích se používají výhradně polyswitche místo termostatů, které jsou pro lithiové akumulátory pomalé a tím i zcela nevhodné. Polyswitch je stejně jako termostat vratná pojistka. Můžeme se setkat v bateriích se dvěma typy - starší typ, který vypadá jako větší destičkový kondenzátor (na obr. vlevo) nebo novější typy od společností Raychem nebo Bourns (vpravo).

Ukázka polyswitchů

Dalším typem ochranného prvku bývá teplotní proudová pojistka, která se vkládá sériově do akumulátorové baterie. Je však nevratná. Oproti polyswitchi však má pevně stanovenou vypínací teplotu i pevně stanovený vypínací proud. K vypnutí dojde při překročení jednoho z hlídaných parametrů. Použití teplotní proudové pojistky nalezneme hlavně u baterií do notebooků.

Ve starších typech baterií najdeme i klasickou proudovou pojistku proti zkratu. Velkou nevýhodou je, že při neopatrném zacházení s baterií v uzavřeném plastovém pouzdře dochází kvůli nevratným pojistkám vlastně ke zničení funkce celé baterie. S klasickými proudovými pojistkami (ve formě SMD) se setkáme i u lithiových baterií do videokamer.

Z hlediska bezpečnosti se doporučuje u každé baterie, která se skládá z více než tří článků, použít alespoň jeden z bezpečnostních prvků. Cena těchto prvků bývá řádově několik desítek korun, ale cena zařízení, které má chránit, je většinou několikanásobně vyšší. Samozřejmě nelze nezmínit i bezpečnost obsluhy a ochranu majetku.

K čemu jsou integrované obvody

Integrovaných obvodů používaných při nabíjení baterií je celá řada. Obvykle slouží k identifikaci druhu akumulátoru, výrobce nebo výrobních čísel akumulátoru pro komunikaci s nabíječem, popřípadě ke komunikaci se zařízením. Obvody zároveň řídí i maximální nabíjecí proud a maximální nabíjecí napětí. K plné funkčnosti postačí pouze dva vývody, a to zem a data, ale jsou v provedení 3, 6, 8 nebo až 20pinovém pouzdře.

Další funkcí těchto obvodů je zjišťování zbytkové kapacity. Obvod obvykle uchovává data o maximálním nabití a vybití tedy napětí při dané teplotě a probíhajícím čase a vypočte z těchto údajů zbývající množství disponibilní energie. Vyspělé obvody tohoto typu dokáží navíc zohledňovat i stárnutí článků representované poklesem napětí v čase a počtu cyklů.