Jednoduchý nabíječ LiIon, LiPol a Pb článků


Doplněno 1.1.2007



Upozornění !!!

  • Chraňte články před zkratem a vysokou teplotou !
  • Kontrolujte teplotu článků při nabíjení, vybíjení i skladování. Nikdy by neměla přesáhnout asi 60 stupňů C ! Při nabíjení by se články neměly zahřívat vůbec.
  • Před připojením na nabíječ kontrolujte nastavení počtu článků, max. nabíjecí proud a dbejte na správnou polaritu !
  • Nepřekračujte max. nabíjecí proud 0,7 až 1C ( podle typu ) akumulátoru.
  • Nepřipojujte na nabíječ podvybité ( U < 2,5 V / čl. ) akumulátory
  • Některé typy článků neobsahují tlakovou pojistku a při nesprávné manipulaci může dojít k výbuchu a následnému požáru !
    Nabíjené baterie nenechávejte bez dozoru, nabíjejte na vhodném místě a na nehořlavé podložce.

Úvod

Toto zapojení vzniklo na základě těchto dlouhodobých zkušeností a mnoha pokusů. Další poznatky jsou popsány v části o praktickém použití Li-ion článků.
K nabíjení Li-ion článků není třeba složitých nabíjecích algoritmů a různých speciálních a drahých obvodů. Zcela stačí zdroj přesného napětí s omezením proudu. Akumulátor si sám omezí proud na konci nabíjení a nelze jej prakticky přebít. Akumulátor Li-ion lze také dobíjet v jakémkoliv stavu vybití, bez vzniku pamětového efektu. Samovybíjení je tak malé, že není rozdíl zda jste nabíjeli před měsícem nebo hodinou. Jedinou nevýhodou je poněkud delší doba nabíjení. Dodaný náboj roste nelineárně s časem. Proto je výhodná indikace nabíjecího proudu. Dobré zapojení nabíječe pro tyto účely by mělo splňovat tyto parametry:
a) velká stabilita výstupního napětí
b) indikace velikosti nabíjecího proudu
c) malý rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím
d) libovolná manipulace na vstupních i výstupních svorkách nesmí způsobit destrukci nabíječe
e) při odpojení od zdroje napětí nesmí docházet k vybíjení přes obvody nabíječe
f) jednoduchost
g) nízká cena

Zapojení s obvodem LM317

Jedná se o katalogové zapojení tohoto obvodu. Pracuje dobře. Mezi jeho nevýhody patří dosti velký úbytek napětí na nabíječi. Obvod LM317 musí mít pro správnou funkci cca. 2,5 V, což je hodně. Dále nelze jednoduše indikovat nabíjecí proud. Výstupním děličem musí téci značný proud a tím pádem vybíjení článku při výpadku vstupního napětí bude velké.

Zapojení s obvodem L200

Obvod L200 se první pohled jeví jako ideální. Po zkušenostech s ním, to však již není jisté. Stejně jako u LM317 má obvod dosti velký úbytek mezi vstupem a výstupem cca. 2V. Hlavní nevýhodu tohoto zapojení je , že pokud omylem připojíme nabíjenou baterii na výstup opačně dojde k okamžité destrukci IO. Tento jev lze odstranit, vždy ale za cenu zhoršení parametrů obvodu. Podrobněji zde. Jednoduchá indikace proudu zde také není možná. Cena obvodu také není nejnižší.

Popis zapojeni MZ
Toto originální zapojení vzniklo na základě zkušeností s předchozími obvody a snahou odstranit jejich chyby při maximální jednoduchosti. Splňuje všechny parametry uvedené v bodech a) až g). Základním prvkem zapojení je IO1 - referenční zdroj napětí TL431. Jeho stabilita je podstatně lepší než předchozích obvodů, což je u nabíječe Li-ion je velmi důležitá vlastnost. Jako stabilizátor proudu pracují tranzistory T1 a T2. Nabíjecí proud protéká přes odpor R1(R9,10). Pokud úbytek napětí na tomto odporu přesáhne asi 0,6 V, začne se pomocí T1 omezovat proud tranzistorem T2. Hodnota odporu R1 tedy určuje nabíjecí proud. Díky použití tranzistorů PNP je úbytek na nabíječi podstatně menší než u ostatních zapojení. Další výhodou je, že minus pól výstupu je společný se vstupním. Výstupní napětí je řízeno již zmíněným obvodem TL431. Jeho velikost určuje dělič napětí na výstupu ( R5,R7,R8, P1), který upravuje napětí na velikost referenčního napětí obvodu 2,5V. Součástky R4, C1 zamezují rozkmitání obvodu. Velmi důležitou je indikace nabíjecího proudu je pomocí D2. LED dioda indikuje proud báze T2, který je úměrný výstupnímu proudu. Jas diody postupně klesá a tím indikuje stav nabíjení hlavně v konečné části. Dioda D1 zamezuje vybíjení nabíjené baterie při nepřítomnosti napájecího napětí. Zapojení nepotřebuje žádnou ochranu na vstupu proti přepólování, je proti němu odolné! Dále má zajímavou vlastnost,a to pokud při nepřipojeném akumulátoru svítí jasně LED, je vstupní napětí nabíječe nižší než je třeba.


Praktické provedení

Celý nabíječ je na malé jednostranné desce. Odpory R 5,7,8 musí být přesné, stabilní typ - metalizované. Diodu D1 je vhodné zapájet s delšími vývody asi 5 - 7 mm nad desku kvůli lepšímu chlazení. Tranzistor T2 pájíme až po přišroubování na chladič. Pokud nemáme izolovanou krabičku, musíme zajistit aby se chladiče nemohlo dotknout nic vodivého v okolí, nebo tranzistor od chladiče izolovat podložkou. Nabíječ se nesmí provozovat bez chladiče !

Chlazení
S dodávaným chladičem je možno výzářit maximálně cca. 5 - 6 W bez přídavného chlazení. Z toho vyplývá omezení maximálního vstupní napětí pro výstupní proud 1A. Při 2 čl. je to asi 14V a pro 3 čl. je to asi 18V. Příklad : při zdroji s napětím 18V a výstupem nastaveným pro 2 čl. je nabíječ zcela určitě přetížen. Je třeba si uvědomit, že se zvyšující teplotou klesá spolehlivost zařízení.

Popis starší verze plošného spoje je zde.

 

předloha plošného spoje 600dpi pro tisk (pdf)

Rozpiska ( všechny součástky lze zakoupit v GM electronic ), Odpory metalizované 0.6W, 1%

R1,9,10 – 1R8
R2 - 1K
R3 – 100R
R4 – 560R
R5 – 22K6 /1%
R6 – 820R
R7 – 13K /1%
R8 – 31K6 / 1%
P1 - PT6VK001, trimr 1K
C1 – 33pF keram.
C2,3 – 22uF / 25V
D1 – 1N4001 ( 1N4007)
LED1 – L3MM 2MA/R ( pro nízký proud ) pro proudy do 0,75A , pro větší proudy LED obyčejná 20mA
T1 – BC556
T2 – BD244C
IO1 – TL431
Plošný spoj - možno objednat i samostaně za 40,- Kč
chladič, jumper 3x, svorka 2x

Nastavení napětí

J 1 Výst. napětí
spojen 2 články (8,4V)
rozpojen 3 články (12,6V)

 

 

 

Nastavení proudu

J 2 (X) J 3 (Y) Výst. proud
rozpojen rozpojen 0,35 A

spojen

rozpojen 0,7A
spojen spojen 1 A

 

Oživení
Zapojení je tak jednoduché, že při pečlivé práci musí pracovat napoprvé. Pro nastavení doporučuji napájet ze laboratorního stabilizovaného zdroje s napětím asi 15V. Trimrem nastavíme výstupní napětí 8,4V nebo 12,6V. To platí pro koncové napětí 4,2V . Pro jinou hodnotu např. 4,1V to bude 8,2V nebo 12,3V . Přestože jsou použity značně přesné součástky, může vzniknout nepatrná odchylka mezi volbou 2/3 články. Potom nastavíme kompromis nebo nastavíme P1 v režimu , který je pro nás důležitější. V případě požadavku absolutní přesnosti musíme použít korekci pomocí paralelního nebo sériového odporu k R5. Napětí nastavujeme bez zátěže. Zkontrolovat můžeme též max. proud do zkratu ( krátkodobě ). Přesná hodnota nabíjecího proudu není kritická. Měla by být maximálně cca. 0,7 C akumulátoru, pro nové typy Li-Pol až 1C. Samozřejmě můžeme nabíjet i menším proudem s tím, že nabíjecí doba bude příslušně delší. Výhodou je menší oteplení nabíječe. Pokud chceme měřit proud v průběhu nabíjení, nelze zapojit ampérmetr přímo do série s nabíjeným akumulátorem, jak je to běžné. Vnitřní odpor ampérmetru způsobí značné zkreslení naměřených hodnot. Pokud potřebujeme měřit proud přesně, musíme ampérmetr zapojit do bodu, kde je spojen kolektor T2 a anoda D1. Pro kontrolní účely stačí jednodušší postup bez rozpojování obvodu na pl. spoji. Ampérmetr zapojíme mezi zdroj a vstup nabíječe. Změříme si proud odebíraný nabíječem naprázdno a tento proud odečteme potom od naměřené hodnoty s připojeným nabíjeným aku.
V průběhu celého prvního nabíjení kontrolujeme průběžně napětí akumulátoru a jeho teplotu !

Napájení nabíječe
Pro verzi se dvěmi články je vhodný jako napáječ např. zdroj pro CB radiostanice, zdroj z PC nebo i jiný. Pokud možno se vyhneme levným síťovým napaječům s volbou napětí, jejich parametry a provedení jsou často katastrofální. Napájecí napětí nemusí být příliš stabilizováno, ale musí být dobře filtrováno. Pokud tedy chceme použít transformátor, použijeme typ s dostatečnou rezervou proudu ( asi 2x ). Můstkový usměrňovač je samozřejmostí a dostatečný filtrační kondenzátor min. 3000 uF na 1A proudu. Napětí na kondenzátoru musí být při plném zatížení větší asi o 2 V než výstupní napětí nabíječe. Pokud je vyšší nevadí to, ale nabíječ bude více hřát. Maximální vstupní napětí nabíječe by nikdy nemělo překročit 20 V.
Pro napájení tříčlánkové verze je nutné napětí asi 15V. Pokud máme k dispozici např. CB zdroj se stabilizovaným napětím 13,8V lze výměnou diody D1 za schottky ( viz. modifikace) dosáhnout dobré funkce nabíječe i z tohoto napětí do proudu 0,8-1A. Jinak pro tříčlánkovou verzi je třeba vhodný zdroj od novějších notebooků, které dávají asi 18 V.

Napájení z akumulátoru 12V je bez problémů možné pouze u dvoučlánkové verze. U verze pro tři články je již napětí 12V akumulátoru nízké a musí být použit měnič.
Při napájení nabíječe z akumulátoru je nutné dbát ještě o jednu věc. Kapacita ( energie obsažená v ) akumulátoru, ze kterého je nabíječ napájen, by měla výrazně převyšovat kapacitu nabíjené baterie ! Pokud to není spolehlivě zajištěno, musí být mezi akumulátor a nabíječ zařazen odpojovač ( nastavený na asi 10 V ). Ten zajistí, že se hlavní akumulátor zcela nevybije. Použití odpojovače je zcela nezbytné při modifikaci nabíječe pro jeden článek ( 4,2V ). Popsaný nabíječ pro správnou funkci potřebuje napájecí napětí minimálně asi 7 V. Pokud dojde k poklesu vstupního napětí ( při předčasném vybití hlavního aku ) pod tuto hodnotu, může se na výstupu nabíječe objevit napětí větší jak nastavené a dojít k poškození nabíjené baterie i hlubokému podvybití hlavního akumulátoru.


Modifikace zapojení

Hodnoty součástek pro jiné typy a počty článků

Varianta s jedním výstupním napětím, ( J1 nahrazen propojkou, R5 neosazen )

X

1čl
LiIon/Lipol

12V
PB
1čl
LiFePO
2 čl
LiFePO
3 čl
LiFePO
4 čl
LiFePO
R8
15k
100k
10k
47k
82k
120k
R7
22k
22k
22k
22k
22k
22k
P1
5k
5k
5k
5k
5k
5k

Varinta s přepínáním ( odpory musí být s přesností minimálně 1% )

X
2 / 3 čl
LiFePO
3 / 4čl
LiFePO
R8
20k
20k
R5
26,1k
45,3k
R7
13k
13k
P1
1k
1k

Přepínání počtu článků. Vzhledem k bezpečnosti nabíjení preferuji verzi s napevno nastaveným výstupním napětím a rozdílným typem konektorů pro 2 a 3 článek. U nové verze s přepínáním je nutné dbát zvýšené opatrnosti a důsledně dodržovat správnou volbu výst. napětí.
Indikace. Ke konci nabíjení proud klesá již málo a indikační dioda může stále slabě svítit. Pokud by to přesto někomu vadilo, stačí připojit paralelně k LED diodě odpor s hodnotou cca. 10K – 56 K. Potom při proudu např. pod 10 mA již dioda zcela zhasne. Já osobně tuto úpravu nepoužívám, protože pokud mi dioda slabě svítí i při plně nabité baterii, považuji to za výhodu. Takto mám totiž kontrolu, že jsem baterii skutečně připojil a je plně nabitá. Pro větší nabíjecí proudy je vhodné použít běžnou LED ( ne nízkospotřebovou ) , protože se rozsah indikace posune k větším proudům.
Zmenšení úbytku napětí. Popsaný nabíječ se vyznačuje velmi malým úbytkem napětí mezi vstupem a výstupem. Pro snížení úbytku skutečně na minimum lze nahradit D1 typem schottky např. 1N5820 ( 3A ). S touto diodou lze dosáhnou toho, že při vstupním napětí 13,8V a výstupním napětí 12,6V dodá nabíječ až 1A proudu !
Zmenšení výstupního napětí. Použitý referenční zdroj TL431 má nejmenší napětí asi 2,5V. To je nejmenší výstupní napětí nabíječe , které lze nastavit. Nelze jej tedy použít pro nabíjení 1 ks olověného článku. Pro toto použití by vyhovělo s určitým omezením zapojení z katalogového listu pro LM317.
Zvětšení výstupního proudu. Zapojení je původně navrženo pro proudy asi do 1 A. Pro větší proudy jsem odzkoušel tuto úpravu. Jedná se pouze o variantu pro dva články a výst. proud 2,5A. Jako napájení se předpokládá výhradně stabilizovaný zdroj 13,8 V nebo autoakumulátor.
Změněné součástky:
R1 - 4x 1R2 paralelně , odpory s kovovou vrstvou 0,6W
R6 - 3 x 470R paralelně
, -//-
T2 - BD250C ( pokud možno s velkým zesílením h21e )
D1 - 3 x 1N5819 nebo 1x 1N5820
LED1 - běžná Led 20 mA
Chladič - dost velký

Protože jsem z časových důvodů chtěl použít původní plošný spoj, jsou potřebné výkonové odpory složeny z několika menších hodnot paralelně. Diody i odpory jsou kvůli chlazení pájeny nad sebou ve vzdálenosti asi 4 mm. Nejlepší by bylo navrhnout nový plošný spoj se zesílenými spoji a zvětšenými rozměry. Protože některé cesty na pl. spoji již zhoršovaly vlastnosti nabíječe, je vhodné provést úpravu. Krátký spoj uzemňující IO1 je přerušen a nahrazen drátovou propojkou vedenou z místa - výstupní svorky. Viz. obrázek. Výkonový tranzistor je předimenzován kvůli spolehlivosti. Při použití jiného typu se mohou vyskytnout problémy se stabilitou zapojení. Chtěl bych upozornit, že tato úprava je asi maximum, co lze z analogového zapojení získat. Celá nabíječka i součástky a spoje na desce pl. spojů při těchto proudech již silně hřejí a je potřeba je velmi dobře chladit. U vzorku byl použit chladič z procesoru Pentium2 o rozměrech asi 50x130 mm.
Doporučuji realizaci verze 2,5A jen zkušeným uživatelům, kteří jsou schopni si s případnými problémy poradit !

Upozornění ! Tento návod je určen pouze pro individuální stavbu. Jakékoliv komerční využití zapojení je možné pouze se souhlasem autora.

Autor zapojení a tohoto popisu nenese žádnou zodpovědnost za škody způsobené nesprávným a nevhodným použitím nabíječe.

 

Praktické rady

Podpětí
Důležitou věcí je, že napětí Li-ion i Li-pol akumulátoru nesmí klesnout pod určitou hodnotu. Doporučené nejnižší napětí výrobců je většinou cca. 2,5 až 2,8 V na článek. Při pohonu RC modelů je tedy třeba použít regulátor se správným nastavením napětí pro omezování výkonu PCO. Zkušený pilot již pozná kdy to " netáhne" jak má. U rekreačních modelů, které nemají velkou rezervu ve výkonu pohonu nás většinou donutí nižší napětí baterie přistát. V některých speciálních aplikacích je nutné použít signalizaci minimálního napětí akumulátoru.
U ostatních zařízení je nutné použít odpojovač zátěže.

Pokud přece jen dojde k podvybití, znamená to většinou zhoršení parametrů až nevratné poškození článku. Články s menším napětím jak 2,5V na nabíječ nepřipojujeme.

Rychlonabíjení
Zatím žádný výrobce nedoporučuje rychlonabíjení. Maximální povolený nabíjecí proud je udáván 0,7 až 1C. To odpovídá nabíjecímu času asi 3 až 2 hodiny. Je nutné si uvědomit, že poslední hodinu ( kdy se již článek nabíjí v režimu konstantního napětí ) je již nabit na cca. 90% maximální kapacity. Vidět je to zde.

V současné době výrobci doporučují nabíjení pouze metodou CC-CV ( konstantní proud, konstantní napětí ). Pokusy s různým impulsním nabíjením zatím většinou vedou ke zkrácení životnosti článků. Metoda, kdy se nabíjí proudovými impulsy na konci nabíjení, vede pouze k mírnému zkrácení poslední fáze nabíjení článku ( tj. těch posledních 10% kapacity ).
Určitě se časem nějaký způsob objeví , ale bude potřeba dlouhého času na to, aby se ověřilo, jak to článkům prospívá.

Spojování článků
Li-ion články lze bez větších problémů spojovat do serie i paralelně. Kombinace se označuje např. 4s3p , což znamená 4 seriově zapojené trojice paralelně spojených článků. Samozřejmostí pro paralelní i seriové spojování je naprostá shoda parametrů jednotlivých článků. U nových akumulátorů od jednoho výrobce a z jedné série je to téměř vždy splněno. U starších akumulátorů je nutno provést výběr na shodné napětí, kapacitu ( při max. proudu zátěze ) i vnitřní odpor. Je nutné si uvědomit , že pokud nebudou články zcela shodné, může díky jednomu vadnému článku docházet k poškozování ostatních dobrých.
V profesionálních zařízeních ( notebooky, kamery atd.) je vícečlánková baterie vždy doplněna speciálními ochrannými obvody, které zajišťují správné rozdělení napětí mezi jednotlivými články, zamezují podvybití a jiné funkce. Tyto obvody se při "amatérském" použití nepoužívají.
Musíme se tedy sami rozhodnout, zda budeme články nabíjet bez těchto obvodů, nebo s nimi. Např. nabíječ výrobce Li-Pol článků firmy Kokam žádné obvody pro správné rozdělení napětí nepoužívá.
Pokud se rozhodneme se o články starat co nejlépe, máme zhruba tyto možnosti:

  1. Použít pro každý článek samostatný nabíječ. Pokud nechceme články rozpojovat, musíme např. pro tři články použít tři samostatné nabíječky, které musí mít galvanicky oddělené zdroje ( tři transformátory nebo jeden s třemi sekundárními vinutími ). Nejsložitější řešení.
  2. Použijeme nabíječ doplněný omezovačem napětí, který zajistí, že se žádný článek v sadě nepřebije a všechny se nabijí na maximum. Optimální.
  3. Pokud možno co nejčastěji kontrolujeme napětí jednotlivých článků. Je-li sada v pořádku, jsou rozdíly napětí v setinách voltu. Jakmile zjistíme větší rozdíl, musíme každý článek nabít zvlášť ( nebo všechny najednou s omezovačem ). Nejlevnější.

 

Použití starších článků
Před několika lety se Li-Ion články nedaly běžně koupit. Jediná možnost jak je získat byla z vyřazených sad pro notebooky a jiné zařízení. Pro rychlé prvotní třídění těchto článků jsem vyvinul měřič vnitřního odporu. Potom teprve probíhaly testu na kapacitu a další výběr.
Na základě těchto dlouhodobých zkušeností mohu konstatovat, že použití starších článků pro rekreační létání je možné, ale jejich výběr je časově náročný a pracný. Jedinou výhodou je nízká cena. Staré články se zvětšeným vnitřním odporem mohou ještě dlouho a dobře sloužit v zařízeních s menším odběrem např. vysílače nebo jiná zařízení.
Dnes je již situace jiná, na trhu je dostatek nových typů s velmi dobrými parametry. Navíc vývoj postupuje velmi rychle a každý další nový typ má výrazně zlepšené parametry , zejména Li-pol.

Teplota

Pokud nabíjení probíhá korektně, nedochází k při něm k oteplení článku. Zvýšená teplota signalizuje, že není něco v pořádku a nabíjení je nutno okamžitě ukončit, dokud je čas. Viz část " Nebezpečí ".
Při vybíjení se články zahřívají jako ostatní. Jejich vnitřní odpor se mění s teplotou. Optimální teplota pro velké proudy je asi 40 až 50°C. Při nízkých teplotách se vnitřní odpor zvyšuje a maximální proud se snižuje. Je vhodné, aby články byly umístěny uvnitř modelu a za chladného počasí se nemohly proudem vzduchu ochlazovat !

Nebezpečí
Vzhledem k tomu, že se již vyskytly i u nás výbuchy a požáry Li-ion a Li-pol akumulátorů, nelze to brát na lehkou váhu.
Nebezpečí vzniká při zvýšené teplotě článku. Dle testů výrobců by do teploty článku 60 stupňů C nemělo dojít k výbuchu. Ke zvýšení teploty může dojít například zkratem, přebitím, přepólováním, vnějším ohřevem. U Li-pol článků je třeba brát v úvahu i mechanické poškození obalu.
Při výbuchu velmi často dochází i k následnému požáru, protože unikající plyny jsou velmi hořlavé. Doporučuje se hašení pískem.

Válcové články typu 18650 a 17670 ( i menší ) Li-ion velkých výrobců Sony, Panasonic obsahují speciální tlakovou pojistku, která ve většině případů výbuchu zabrání, protože dojde včas k přerušení obvodu a odpojení článku.

Dodržujte zásady uvedené v záhlaví stránky !
Při dodržování alespoň základních pravidel, nebude používání Li-Ion i Li-Pol nebezpečnější než u jiných typů akumulátorů.

Často kladené otázky o Li-Ion

 

Ceny:

Stavebnice nabíječe plošný spoj plus součástky ( včetně chladiče ) : 120,-Kč
Samotný plošný spoj (vrtaný, maska, cín) : 40,-Kč

Po dohodě je možno dodat hotový oživený modul za 170 Kč ( včetně chladiče ).
Objednat.

Stavební návod publikován v RC Revue 9/2002


 

 

HOME - Hlavní strana