Jak ładować ogniwa Li-Ion? - stały prąd a wzrost napięcia do 4,2 V

Cześć,

Wiadomo, że ogniwa Li-Ion ładuje się metodą: najpierw stały prąd, później stałe napięcie, stąd moje pytanie: pierwsza faza ładowania, tzn. stały prąd, oznacza, że mogę np. podać 1 V i 0,1 A i mimo to napięcie na ogniwie wzrośnie do 4,2 V? Trochę to dla mnie nielogiczne.

O ładowaniu poczytaj i obejrzyj wykresy z noty choćby układu TC4056A. Jest tam coś o ładowaniu 1 V?

Nielogiczne jest to, że niższe napięcie ma wywołać przepływ prądu w stronę wyższego napięcia. Nie wymusi. Po stronie ładowarki musi być wyższe napięcie niż maksymalne napięcie ładowanego akumulatora lub baterii akumulatorów. Przykładowo układ TP4056 ma po stronie zasilania 5 V z gniazda USB, z tzw. ładowarki lub z komputera. Po drugiej stronie ma ładowany akumulator (modnie nazywany ogniwem, choć to ogniwo wtórne). Układ TP4056 ogranicza prąd ładowania do momentu, gdy napięcie akumulatora wzrośnie do wartości ok. 4,15 V i prąd ładowania spadnie poniżej 100 mA (jeśli dobrze pamiętam, bo być może progiem jest 50 mA) i wtedy kończy ładowanie, i sygnalizuje to diodami, jeśli są podłączone do jego wyjść.
Czyli do wymuszenia przepływu prądu w żądanym kierunku konieczne jest zapewnienie właściwej różnicy napięć (strona odbiorcza ma mieć niższe napięcie).

To dlaczego podzielone jest to na dwie fazy: CC i CV. Jeśli zrobię prosty stabilizator 4,2 V z ogranicznikiem prądowym np. 0,1 A, to będą spełnione wszystkie warunki, tzn. CC ograniczenie prądu 0,1 A i CV ograniczenie napięcia 4,2 V?

Tak jest, bo akumulator litowo-jonowy ma mały opór wewnętrzny i podłączenie go do napięcia 4,2 V lub co gorsza do 5 V (tyle daje tzw. ładowarka, ale durniom to nie przeszkadza) spowoduje uszkodzenie akumulatora albo z powodu zbyt dużego prądu ładowania, albo zbyt wysokiego napięcia. Przeładowany akumulator buzuje energią i uwalnia ją gwałtownie, można powiedzieć, że eksploduje energią. Czasem urwie rękę, czasem kawałek twarzy.
Jeśli zrobisz stabilizator o napięciu 4,2 V z ograniczeniem prądu do modnych 100 mA, to oczywiście będziesz miał ładowarkę w 2/3. Zabraknie Ci trzeciego elementu - wykrycia spadku prądu ładowania w fazie stałonapięciowej. Jako improwizowana ładowarka taki zasilacz 4,2 V z ograniczeniem prądu do 100 mA nada się jak najbardziej. Jako ładowarka będzie kiepski, bo akumulator będzie nienaładowany w 100% a i przeładować go też się da.
Sam polecałem przetwornice CC/CV w roli ładowarek, ale z uwzględnieniem ich wad.

Ja to nie będzie naładowany w 100%? przecież będzie w drugiej fazie CV?

Może jak spojrzysz na to jak zmieniają się napięcie i prąd akumulatora w czasie ułatwi zrozumienie:

Regulator prądu i regulator napięcia są niezależnymi układami, ale w danej chwili tyko jeden z nich steruje elementem wykonawczym (tranzystorem), bo drugi ma w tym czasie wartość regulowaną poniżej nastawionej.

To, jak zależy prąd od napięcia i czasu, to cecha akumulatora.

Czasami przerywa się ładowanie po fazie CC, bo tak jest szybciej, kiedy nie potrzeba naładowania na 100%, poza tym praca z niepełnymi cyklami znacznie wydłuża trwałość akumulatora

Sam regulator napięcia i prądu oczywiście naładuje w 100%, ale nie masz informacji kiedy, a praca buforowa dla Li-Ion nie jest dopuszczalna przez producentów akumulatorów. Akumulator szybciej się degraduje utrzymywany długo na 4,2 V.

Wspomniane TP4056 kończy ładowanie, gdy prąd ładowania spadnie do 1/10 zaprogramowanego prądu ładowania. Czyli ładujesz akumulator prądem 1 A i gdy w fazie CV prąd spada do 100 mA, to ładowarka kończy ładowanie. Ładujesz prądem 0,5 A, to ładowarka kończy ładowanie, gdy prąd spadnie do 50 mA. I jeszcze jedno - gdy akumulator ma mniej niż 2,9 V, to ładowarka ładuje go bardzo małym prądem (znowu 50 mA albo 100 mA) do czasu osiągnięcia napięcia 2,9 V. Dopiero wtedy prąd ładowania wzrasta do zaprogramowanej wartości. Wszystkie te rewelacje są zapisane w dokumentacji układu scalonego. Nie kłamię.
I teraz możesz sobie porównać przetwornicę CC/CV czy stabilizator z ograniczeniem prądu do ładowarki czy co gorsza zasilacza 5 V w mowie ludu zwanego ładowarką. Tylko że taką ładowarką staje się też komputer połączony kablem USB z telefonem czy innym urządzeniem z wbudowanym akumulatorem i ładowarką. Logiczne myślenie można zastąpić zapamiętywaniem, ale problem się pojawi, gdy zdarzy się sytuacja, której nie opisano i której rozwiązanie nie zostało zapamiętane.

LEDówki napisał:

Wszystkie te rewelacje są zapisane w dokumentacji układu scalonego.

Ciekawym czy można go zmodyfikować w kwestii napięcia ładowania tak aby można było obsłużyć LiFePO4?
Czy też może są już dedykowane moduły z wysyłką z Polski?

E, raczej nie. Nie ma tam oporników ustalających, co się ładuje.
Trzeba szukać standalone LiFePO4 charger i coś tam się znajduje Link.

Ja czasem jak ładuje ogniwo to używam zasilacza CV i ograniczam mu prąd (parametr CC w niektórych), żeby wynosił 0,5CA.

Dawniej ładowarki miały taki głupi układ co jeszcze mierzył temperaturę ogniwa i to do mnie najważniejszy parametr już w tych obecnych nie wykorzystywany a szkoda bo ja jak ładuję, widzę parametry to naprawdę paluszek pomaga.

Tak sobie pomyślałem że aby ładować LiFePO₄ to można na wyjściu TP4056 włączyć diodę Schottky`ego i wówczas nie powinna przeładować.
Troszkę czasu potrzeba aby dobrać diodę dokładnie na tyle aby uzyskać wyłączenie przy 4 V.

Ale po co kombinować, skoro można kupić gotowy układ scalony, który posłuży do ładownia takiego akumulatora? Można użyć protezę w postaci przetwornicy CC/CV, która jeśli już się nie przewraca w szufladzie, to będzie się przewracać i może być wykorzystana jako zasilacz regulowany. Wprawdzie niezbyt często, bo elementy regulacyjne są liche, ale nie trzeba kupować nie wiadomo jakich zasilaczy, żeby i naładować akumulator NiMH i LiFEPO4, i litowo jonowy lub litowo polimerowy, czy jakąś tam baterię akumulatorów. Tylko uwaga - nie każda przetwornica lubi gdy ją dołączyć do napięcia od strony wyjścia przed dołączeniem napięcia do wejścia. W takiej sytuacji przetwornica lubi się zepsuć.

Mam ładowarkę do Li-ION-ów.
Nie mam ładowarki do LiFePO₄ ale mam zasilacze uniwersalne z nastawą prądu i napięcia i jak mi się nie śpieszy to nie miałbym problemu.
Ale w tym układzie to trzeba trochę poczekać na pełne doładowanie.
Akurat nie mam czasu na robienie układu odcinającego ładowanie.
Ewentualne wstawienie diody do TP4056 wymaga niewiele czasu i byłoby dla mnie akceptowalne.
Na razie nie mam ogniw LiFePO₄ ale może kiedyś?
Czytałem że lepiej sprawują się na mrozie.
Nie sprawdzałem tego ponieważ na razie mam NiMH w dobrym stanie. Ponadto sprzęt który używam akurat takich wymaga.
Ale może ktoś inny ma LiFePO₄ i ewentualnie skorzysta z pomysłu?

Problemem może być precyzja pomiaru napięcia akumulatora z diodą, a raczej duży rozrzut parametrów diody. Jeśli nie będzie płytek z ładowarkami podłączanymi pod zasilanie 5V (USB komputera lub zasilacz 5V tzw. ładowarka do telefonu), to można kupić ładowarkę uniwersalną. Ceny jeszcze są zaporowe, ale czasem da się kupić coś poniżej 200 zł.

LEDówki napisał:

Problemem może być precyzja pomiaru napięcia akumulatora z diodą, a raczej duży rozrzut parametrów diody.

Zgadzam się, przynajmniej jeden pomiar dla ustawionego w TP4056 prądu ładowania jest niezbędny aby sprawdzić spadek na diodzie.
Widziałem gotowe uniwersalne moduły do zarządzania ładowaniem po 40 zeta z wysyłką z Polski ale one są od 6 do 60 V.
Nie widziałem takich dla ogniw.

Staszek_Staszek napisał:

Widziałem gotowe uniwersalne moduły do zarządzania ładowaniem po 40 zeta z wysyłką z Polski ale one są od 6 do 60 V.
Nie widziałem takich dla ogniw.

Wpisz w wyszukiwarkę "Dedykowany moduł ładowarki do akumulatorów LiFePO4 3.2V" i od razu będziesz miał moduły dla LiFePO4 na Aliexpress.
Są też takie z układem TP5000

tajwoj napisał:

Są też takie z układem TP5000

Dziękuję, znalazłem z wysyłką z Polski za 7,35.
Jak znajdę czas to poszukam dokumentacji.
Na razie korzystam z NiMH które są niezawodne na mrozie.

Litowych nawet nie badają poniżej 20°V.

Staszek_Staszek napisał:

Litowych nawet nie badają poniżej 20°V.

Tak się składa, że badają.
Nie zawsze jest łatwo znaleźć dane ale na przykład:
Molicel P42A, strona 13.
Molicel P45B, strona 15.
Pewnie widziałeś ludzi pracujących na mrozie narzędziami akumulatorowymi.
Charakterystyki podane na wykresach są uzyskane w warunkach gdy otaczające powietrze ma określoną temperaturę i następuje chłodzenie konwekcyjne ogniwa przy pełnym dostępie świeżego powietrza.
Umieszczenie ogniwa w jakiejkolwiek obudowie ograniczającej przepływ powietrza spowoduje jego szybsze nagrzewanie i zmianę krzywej rozładowania w stosunku do wykresów laboratoryjnych.

Chodzi tylko o ogniwa wtórne, czy też to dotyczy ogniw pierwotnych? Jak to wygląda z bateriami?

Zaczęło się od pytania czy fajnie jest ładować Li-Ion za pomocą stabilizatora aż doszło do analizy charakterystyk temperaturowych oraz dostępności ładowarek dla LiFePO4... Wiedza fajna i fajnie jest poczytać, ale autor nadal nie wie czy LM317 naładuje mu akumulator.

Autor - kup za 2.50,- taki moduł i po problemie. Nie kombinuj.

tajwoj napisał:

Tak się składa, że badają.

Opis przedstawiony przez producenta badaniem nazwał bym dopiero po zbadaniu tego opisu.

tajwoj napisał:

Molicel P45B, strona 15.

Wykres jest dla mnie niewiarygodny.
Do pracy z elektronarzędziami na mrozie służą baterie NiMH jakkolwiek przy mniejszych mrozach LiFePO₄ tak że mogą być stosowane.

Staszek_Staszek napisał:

Nie jestem pewny co artysta miał na myśli pisząc (50 mA current taper).

Nie jesteś pewny ale komentujesz?
Nie przeszkadza mi, że wierzysz iż "current taper" oznacza prąd rozładowania, zwłaszcza gdy jest użyty w wierszu podającym warunki ładowania ogniwa.
A w wierszu niżej, równie dużymi literami, jest podany prąd rozładowania "Discharge: Constant Current at 4.5A to 2.5V".
Dla zainteresowanych: eetimes.com/current-voltage-and-temperature-govern-li-ion-battery-charging

Jakiś czas temu szukałem informacji na temat przechowania akumulatorów litowo-jonowych na mrozie. Przy okazji dowiedziałem się, że na mrozie można je rozładowywać. Nie można ich na mrozie ładować. To znaczy można, ale bardzo małym prądem i specjalną ładowarką. Akumulatorów NiMH też nie można ładować na mrozie.

tajwoj napisał:

Nie jesteś pewny ale komentujesz?

Faktycznie nie wyraziłem się jasno. Poprawię swój wpis.
Wykresy budzą moje wątpliwości.
Przykładowo ten:

Nie wiem w jakich warunkach robione były pomiary ale liczę:
P= I² *R
Suma oporów dla prądu 54 A to 0,078 Ω
54²*0,0078 = 227,448 W
Całkowita energia zgromadzona w ogniwie:
16,2 Wh
Ogniwo byłoby rozładowane w czasie 256 sekund, nieco ponad 4 minut.
Jaki mógł być udział średni udział Rw do Robc?
Znamy tylko Rw początkowe dla temperatury otoczenia.
Temperatura ogniwa będzie bardzo szybko rosła i zarazem zmieniała się będzie rezystancja wewnętrzna.
Co stanowiło odbiornik że udało się utrzymać stały prąd przez kilka minut i jakie były doprowadzenia prądu?
Czy badane ogniwo było zanurzone w ciekłym helu?
W mojej ocenie trudno jest pobrać przez kilka minut 54 A z ogniwa bez widowiskowego rozbłysku.

Dlaczego próbujesz interpretować wykres bez przeczytania poprzedzających treści i legendy do niego?
Jaki ciekły hel?
W temperaturze 23°C?

Dobrze jest przeczytać dokumentację od początku, jeśli nie wszystko się rozumie, to przeczytać jeszcze raz i przetłumaczyć niezrozumiałe sformułowania albo po prostu zapytać innych co dany termin oznacza.
To żaden wstyd, ponieważ nie ma człowieka który znałby całość słownictwa ze wszystkich dziedzin techniki, nawet tylko w ojczystym języku.

Trzy wiersze poniżej wykresu opisują warunki pomiaru.

"Charge: CCCV 4.2A/4.2V (50mA current taper)"
Ogniwo było ładowane metodą stały prąd, a następnie stałe napięcie, prądem stałym 4.2A do napięcia 4.2V i gdy (przy utrzymywaniu napięcia na ogniwie na poziomie 4.2V) prąd ładowania spadł do 50mA nastąpiło zakończenie ładowania.

"Discharge: Constant Current to 2,5V"
Ogniwo było rozładowane stałym prądem dopóki napięcie na nim nie spadło do 2.5V.

"Ambient Temperature: 23°C"
Ogniwo było rozładowane w otoczeniu powietrza o temperaturze 23°C.
Bez żadnego wymuszonego chłodzenia!

Co nie jest napisane przy tym wykresie ale jest pokazane na następnym (strona 8).
Dla prądów 45A, 50A i 54A rozładowanie było przerwane gdy temperatura powierzchni ogniwa osiągnęła 85°C. Dla tych prądów rozładowanie było niepełne.
Zresztą w zgodzie z tabelą na stronie 3 "Discharge Current Continous 45A (80°C cut-off)"
Żadnych błysków i wybuchów.

Firma Molicel należy do ścisłej czołówki jeśli idzie o wysokoprądowe ogniwa Li-Ion i raczej nie podaje wartości z sufitu.

Jak chcesz to możesz spojrzeć na moje pomiary tego ogniwa.
Molicel INR21700-P45B

tajwoj napisał:

Jak chcesz to możesz spojrzeć na moje pomiary tego ogniwa.

Dziękuję.
Przeczytam na spokojnie wszystko uważnie, także metodę pomiarów: https://tayvoy.com/sposob-pomiaru/
Na pewno jutro się odezwę aby się upewnić czy prawidłowo odbieram informacje.
Możliwe że pochopnie oceniłem parametry tych ogniw, ale wynika to z nieufności nabytej 😀.

@Staszek_Staszek Zauważ że z wykresów wynika że przy prądzie 50A jest ok 0,5V mniej, co by pozwalało oszacować rezystancję wewnętrzną na ok 10mOm dokumentacja podaje zbliżone wartości.

Jakby chcieć szacować straty mocy, na podstawie rezystancji wewnętrznej to trzeba by najpierw zastanowić się jak powinna ta rezystancja powinna być mierzona.
Tu jeż nie wystarczy uproszczenie, idealnej baterii połączonej z idealnym szeregowym rezystorem.
Spójrz na przykładowy wykres napięcia po impulsowym obciążeniu

Wiesz którą wartość spadku napięcia powinno się wsiąść do obliczeń? bo ja takiej pewności nie mam, a raczej nie będzie to największa różnica, ΔV miało by więcej sensu.
Z tego że nie wiesz jak ogniwo się będzie grzać, nie wynika nic po za tym, że nie wiesz, nie oszacujesz nie mając żadnych konkretnych danych.

Staszek_Staszek napisał:

Możliwe że pochopnie oceniłem parametry tych ogniw, ale wynika to z nieufności nabytej 😀.

Ludzie tego używają. Niektóre produkty są wyżyłowane, da się osiągnąć parametry, które były nie do pomyślenia pół wieku temu (zdaje mi się że porównujesz wszystko do tamtych możliwości technicznych). Nie wszystko musi być robione z 10x zapasem i starczyć na 40 lat pracy. Przykład, używałem układów scalonych, o przewidywanym czasie bezawaryjnej pracy zaledwie 1000h, płacąc po pięć stów za wzmacniacz operacyjny jaki sens? Taki że wytrzymują tyle w temperaturze 210°C, niektóre urządzenia muszą w takiej pracować, nie ważne jak długo, ważne że w ogóle pracują.

jarek_lnx napisał:

Z tego że nie wiesz jak ogniwo się będzie grzać, nie wynika nic po za tym że nie wiesz.

Wynika to że powinienem się dowiedzieć.
Akurat teraz mam parę rzeczy rozgrzebanych i nie mogę tym się zająć.
Możliwe że kiedyś zamknę ogniwo w piance polietylenowej z odbiornikiem rezystancyjnym, następnie z tym samym rezystorem na zewnątrz. Zmierzę temperaturę ogniwa i czegoś się o rezystancji wewnętrznej dowiem.
Przynajmniej o tych ogniwach które akurat mam.
Jakkolwiek zdaję sobie sprawę że ogniwa różnych producentów mogą się znacznie różnić.
Ogniwa tego samego producenta ale różnych serii także mogą się znacznie różnić.
Z drugiej strony nie wiem czy ulec tej pokusie i bawić się w badacza dla idei.
W wolnych chwilach powinienem raczej więcej chodzić na spacery i ograniczyć siedzący tryb życia a badanie ogniw zostawić może jakimś doktorantom?
Potrzebuję też trochę czasu aby przemyśleć przydatność takiej metody do określania Rw.