Akumulátory Li-ion a jejich nabíjení
Li-ion cells charging

Akumulátory Li-ion jsou úžasný zdroj energie - malé, lehké a výkonné. Mají malé samovybíjení a jednoduše se nabíjejí. Je však třeba s nimi zacházet šetrněji než s akumulátory NiCd nebo NiMH. Hodí se pro přístroje s malým a středním odběrem. Protože se s nimi setkáváme stále častěji, může vám tento článek pomoci vyvarovat se chyb při jejich používání.

Akumulátory Li-ion

Ačkoli s lithiovými bateriemi experimentoval již v roce 1912 G. N. Lewis, první lithiové články, tehdy ještě nenabíjecí, byly komerčně dostupné až v roce 1970. V osmdesátých letech následoval vývoj nabíjitelných článků, byl však neúspěšný, neboť články byly nebezpečné a snadno explodovaly. Obrat ve vývoji nastal teprve tehdy, když bylo chemicky velmi nestabilní kovové lithium nahrazeno kysličníkem lithia a kobaltu (LiCoO2). První akumulátory Li-ion prodávala firma Sony až v roce 1991.

Obr. 1. Typická vybíjecí křivka akumulátoru Li-ion

V praxi se dnes můžete setkat se dvěma typy Li-ion akumulátorů, které se liší provedením záporné elektrody (u akumulátorů je to anoda). V obou případech je to uhlík, v prvém jako „koks“ (v angličtině „coke“, nepodařilo se mi najít vhodnější překlad), v druhém ve formě grafitu. Tyto akumulátory se liší tvarem vybíjecí křivky (viz obr. 1), nabíjecím napětím a napětím, při kterém je třeba ukončit vybíjení. Základní údaje jsou uvedeny v tab. 1. Pro úplnost je třeba uvést, že se vyrábějí i akumulátory s grafitovou anodou, které mají díky upravené technologii výroby nabíjecí napětí 4,2 V a vybíjecí 2,5 V. Ve vývoji jsou lithium-polymerové akumulátory, umožňující dosáhnout ještě větší energetické hustoty v článku. Tyto články však zatím rychle degradují a umožňují jen malý počet nabíjecích cyklů. Orientační porovnání akumulátorů Li-ion s akumulátory NiCd, NiMH, SLA a RAM je v tab. 2.

Pozn.: Jak jsem se později dozvěděl, akumulátory s "coke" anodou používají mikrokrystalickou formu uhlíku, která se dříve označovala také jako "amorfní uhlík". Je shodná s grafitem, ale na rozdíl od něj má jen nepatrné a neorientované krystaly. (díky Michale)

Pozn.: SLA - bezúdržbový olověný akumulátor, RAM - alkalický akumulátor. Údaje v tabulce jsou převzaty z http://www.mobil.cz/poradna/baterie/akupack.html , v jiných pramenech jsou uvedeny údaje odlišné. Největší rozdíly bývají v počtu nabíjecích cyklů a rychlosti samovybíjení.

S Li-ion akumulátory se setkáte buď ve formě jednotlivých článků, nebo tzv. „akupaků“ pro mobilní přístroje. Jednotlivé články používají nejčastěji modeláři ve špičkových modelech. Akupaky pak nalezneme v mobilních telefonech, přenosných počítačích a videokamerách. Akupaky bývají vybaveny ochranným obvodem, který zamezuje zničení, případně i explozi článku při nesprávné manipulaci nebo závadě napájeného přístroje či nabíječky. Ochranný obvod zpravidla hlídá minimální a maximální napětí článku, případně i maximální vybíjecí a nabíjecí proud. Pokud je překročen maximální proud nebo povolený rozsah napětí, obvod článek odpojí. Několik zapojení ochranných obvodů je na na obr. 2 až 4. Z uvedených zapojení je zřejmé, že vývody akupaku nejsou připojeny k článku přímo. Ochranný obvod odebírá z článku trvale proud řádu jednotek až desítek mikroampér. Akupaky dále bývají osazeny termistorem, který informuje nabíječku o teplotě článku.

Obr. 2. Ochranný obvod s SAA1502 (Philips)

Obr. 3. Ochranný obvod s RV5VG1 (Ricoh)

Obr. 4. Ochranný obvod s DS2760 (Dallas Semiconductor)

Nabíjení Li-ion

Akumulátory Li-ion se nabíjejí standardně ze zdroje napětí s omezením nabíjecího proudu. Podobným způsobem se nabíjejí také bezúdržbové olověné akumulátory (SLA) a alkalické akumulátory (RAM). Při nabíjení Li-ion je třeba velmi přesně dodržet konečné nabíjecí napětí, mnohem přesněji, než je tomu u akumulátorů SLA a RAM. Uvádí se, že již malé překročení nabíjecího napětí podstatně zkrátí dobu života článku, při napětí menším se článek nenabije na plnou kapacitu. Konečné nabíjecí napětí je podle typu článku 4,1 nebo 4,2 V, a je třeba je dodržet s přesností ±1 %.

Naopak nabíjecí proud není třeba přesně dodržet, bude-li menší, bude nabíjení jen trvat déle. Maximální nabíjecí proud uvádějí výrobci od 0,1 do 2 C. Jednotkou C se myslí jmenovitá kapacita článku. Bude-li mít článek kapacitu např. 900 mAh a povolený nabíjecí proud 0,5 C, můžeme jej nabíjet proudem až 450 mA.

Obr. 5. Průběh napětí a proudu při nabíjení akumulátoru Li-ion

Typický průběh nabíjení článku Li-ion je na obr. 5 a platí pro nabíjení proudem 1 C. Z obrázku je patrné, že článek se nabíjí velmi rychle. V první fázi se článek nabíjí proudem tak dlouho, dokud napětí na článku nedosáhne konečného nabíjecího napětí. Nabíjecí proud ani nemusí být konstantní, stačí když nepřekročí maximální nabíjecí proud. V okamžiku, kdy napětí článku dosáhne konečného nabíjecího napětí, je článek nabit přibližně na 70 %, pokud byl předtím téměř vybit. Byl-li článek vybit jen částečně, je v tomto okamžiku jeho náboj větší. Rovněž při nabíjení menším proudem bude v okamžiku dosažení konečného napětí náboj článku větší, nabíjení však trvá pochopitelně déle.

V druhé fázi se článek nabíjí konstantním napětím a nabíjecí proud se postupně zmenšuje. Článek považujeme za nabitý, pokud nabíjecí proud poklesne na zlomek původního nabíjecího proudu, většinou asi 0,05 C. Nabíjecí proud se postupně zmenší až k nule. To je výhoda, neboť nehrozí přebití článku. Dobu nabíjení nemusíme hlídat a článek může být v nabíječce libovolně dlouho. Nabíječka může rovněž bez jakéhokoli nastavování nabíjet články s různou kapacitou, stačí zajistit, aby ani u článku s nejmenší kapacitou nebyl překročen maximální nabíjecí proud. Články s větší kapacitou se budou nabíjet déle.

Pro úplnost je třeba se zmínit o nabíjení nových a hluboce vybitých článků. Tyto články se nabíjejí velmi pomalu proudem řádu jednotek miliampér tak dlouho, dokud jejich napětí nedosáhne 2,7 až 3 V. Takové formování článku trvá velmi dlouho, řádově hodiny. Články nelze rovnou nabíjet velkým proudem, mohly by se vážně poškodit. V praxi asi nebudete muset články formovat. Dva úplně nové články (akumulátor k discmanu a mobilnímu telefonu), které jsem měl možnost změřit, byly dodány již nabité. Elektronické obvody přístrojů napájených akumulátory Li-ion zpravidla zařízení vypnou dříve, než je článek zcela vybit. Poslední pojistkou je ochranný obvod v akupaku.

K nabíjení akumulátorů Li-ion byla vyvinuta řada speciálních integrovaných obvodů. Na obr. 6 je zapojení jednoduché nabíječky s obvodem LM3620. Ke své funkci potřebuje externí zdroj s omezením (nabíjecího) proudu. Na obr. 7 je nabíječka s obvodem MAX1679. I tento obvod potřebuje zdroj s omezením proudu. Regulační tranzistor však pracuje v impulsním režimu a není třeba jej chladit. Obvod testuje každé 2 ms napětí článku a pokud je větší než konečné napětí, uzavře tranzistor. Počet „prázdných“ cyklů se postupně zvětšuje a je tak simulováno zmenšování nabíjecího proudu. Při dostatečně velkém poměru „prázdných“ a „plných“ cyklů obvod nabíjení ukončí. IO zajišťuje také formování hluboce vybitého článku proudem 5 mA a znovu začne nabíjet článek, pokud jeho napětí poklesne pod 3,89 V. Není bez zajímavosti, že tento zdánlivě jednoduchý integrovaný obvod má ve své struktuře 4692 tranzistorů.

Obr. 6. Nabíječka s LM3620

Obr. 7. Nabíječka s MAX1679

Obr. 8. Nabíječka s ADP3820

Obr. 9. Nabíječka s LTC1732

Obvod ADP3820 na obr. 8 zajišťuje nabíjení včetně omezení nabíjecího proudu. Obvod LTC1732 na obr. 9 zajišťuje navíc formování hluboce vybitého článku proudem asi 10x menším, než je maximální nabíjecí proud.

Obvodů pro nabíjení akumulátorů Li-ion je velké množství. Zde jsem vybral jen několik nejjednodušších zapojení. Podrobné katalogové listy k uvedeným (a dalším) obvodům lze snadno získat na Internetu.

Jednoduchá nabíječka Li-ion z běžně dostupných součástek zde.

Jaroslav Belza

Publikováno v Praktické elektronice č. 4/2001 na s. 12
Ve zkrácené a upravené podobě i v časopise RC revue č. 5 na s. 10 (upravil MIC)

24. 3. 2001
2. 4. 2001 update