Virtuemart Extensions
Сейчас 85 гостей онлайн
Правила эксплуатации Li-ion и Li-Pol аккумуляторов.

 

Все современные телефоны, смартфоны и КПК снабжены аккумуляторами на литиевой основе: литий-ионными или литий-полимерными, поэтому в дальнейшем речь будет идти именно о них. Такие аккумуляторы имеют замечательную ёмкость и сроки службы, но требуют очень жёсткого следования определённым правилам эксплуатации.
Эти правила можно разделить на две группы:

  • Не зависящие от пользователя
  • Зависящие от пользователя.

В первую группу входят основополагающие правила заряда и разряда аккумуляторов, которые контролируются встроенным в аккумулятор устройством (контроллером), а также иногда дополнительным контроллером, располагающимся в самом устройстве. Эти правила просты:

  • Аккумулятор всю свою жизнь должен находиться в состоянии, при котором его напряжение не превышает 4.2 вольта и не опускается ниже 2.7 вольта. Эти напряжения являются показателями соответственно максимального (100%) и минимального (0%) заряда. Минимальное напряжение, указанное выше, применимо к аккумуляторам с электродами, выполненными из кокса, однако большинство современных аккумуляторов имеет электроды из графита. Для них минимальное напряжение равно 3 вольта.
  • Количество энергии, отдаваемой аккумулятором при изменении его заряда от 100% до 0%, - это его ёмкость. Некоторые производители ограничивают максимальное напряжение 4.1 вольтами, при этом аккумулятор живёт подольше, но его ёмкость снижается примерно на 10%. Также иногда нижний порог повышается до 3.0-3.3 вольт, в зависимости от материала электродов, с такими же последствиями.
  • Наибольшая долговечность аккумулятора достигается при примерно 45-процентном заряде, а при увеличении или уменьшении степени заряда срок жизни аккумулятора уменьшается. Если заряд находится в пределах, которые обеспечивает контроллер аккумулятора (см. выше), изменение долговечности не значительно.
  • Если в силу обстоятельств напряжение на аккумуляторе выходит за пределы, указанные выше, даже на непродолжительное время, срок его жизни драматически уменьшается. Такие состояния называются перезаряд и переразряд и являются очень опасными для аккумулятора.

Контроллеры аккумуляторов, предназначенные для разных устройств, если они (контроллеры) изготовлены с надлежащим качеством, никогда не позволяют напряжению на аккумуляторе во время заряда стать больше 4.2 вольта, но, в зависимости от предназначения батареи, могут по-разному ограничивать минимальное напряжение при разряде. Так, в аккумуляторе, предназначенном для, скажем, шуруповёрта или моторчика модели автомобиля, минимальное напряжение, скорее всего, будет действительно минимально допустимым, а для КПК или смартфона - повыше, ибо минимального напряжения в 2.7-3.0 вольт может просто не хватить для работы электроники девайса. Поэтому в сложных устройствах типа телефонов, КПК и т.п. работу контроллера, встроенного в сам аккумулятор, дополняет контроллер в самом устройстве.

Поговорим о процессе заряда литиевых аккумуляторов. Зарядное устройство любого литиевого аккумулятора представляет собой источник постоянного напряжения в 5 вольт, способный отдавать для заряда ток, равный примерно 0.5-1.0 емкости аккумулятора. Так, если емкость аккумулятора равна 1000 mA•h, зарядное устройство должно обеспечить ток заряда не менее 500 mA, а номинально - 1 ампер.
Существует несколько режимов заряда литиевых аккумуляторов.
Начнём с режима, являющегося стандартным в компании Sony. Этот режим требует длительного времени заряда, сложного контроллера, но обеспечивает наиболее полный заряд аккумулятора.

На первом этапе зарядки, длящемся приблизительно 1 час, аккумулятор заряжается током постоянной величины до достижения напряжения в 4.2 вольта на аккумуляторе. После этого начинается второй этап, длящийся также около часа, во время которого контроллер, поддерживая напряжение на аккумуляторе ровно в 4.2 вольта, постепенно уменьшает зарядный ток. При уменьшении зарядного тока до определённой величины (порядка 0.2 от ёмкости аккумулятора) начинается третий этап зарядки, в течение которого зарядный ток продолжает уменьшаться, а напряжение на клеммах аккумулятора сохраняется на прежнем уровне - 4.2 вольта. Третий этап, в отличие от первых двух, имеет строго определенную длительность, определяемую встроенным в контроллер таймером, - 1 час. По истечении третьего этапа контроллер полностью отключает аккумулятор от зарядного устройства.
Степень заряженности аккумулятора в конце первого этапа равна 70%, в конце второго - 90%, а в конце третьего - 100%.

Многие компании, стремясь к удешевлению своих устройств, используют упрощенные режимы заряда аккумуляторов, например, прекращая заряд при достижении напряжения на аккумуляторе 4.2 вольта, то есть используя только первый этап зарядки. В этом случае аккумулятор заряжается быстро, но, увы, только до 70% своей реальной емкости. Определить, что в вашем устройстве именно такой, упрощенный контроллер нетрудно, - для полноценной зарядки требуется примерно 3 часа, не меньше.

Во вторую группу входят правила эксплуатации, на которые мы с вами можем влиять, тем самым значительно увеличивая или уменьшая срок жизни аккумулятора. Эти правила следующие:

  • нужно стараться не доводить аккумулятор до минимального заряда и, тем более, до состояния, когда машинка сама выключается, ну, а если так случилось, то нужно зарядить аккумулятор как можно скорее.
  • не нужно бояться частых подзарядок, в том числе и частичных, когда полный заряд не достигается - аккумулятору это не вредит.


вопреки сложившемуся у многих пользователей мнению, перезаряд вредит литиевым аккумуляторам не меньше, а даже больше, чем глубокий разряд. Контроллер, конечно, ограничивает максимальный уровень заряда, но есть одна тонкость. Хорошо известно, что ёмкость аккумуляторов зависит от температуры. Так, если, например, мы зарядили аккумулятор при комнатной температуре и получили заряд 100%, то при выходе на мороз и остывании машинки степень заряженности аккумулятора может снизиться до 80% и ниже. Но может быть и обратная ситуация. Аккумулятор, заряженный при комнатной температуре до 100%, будучи немножко нагрет, станет заряженным, скажем, до 105%, а это для него очень и очень неблагоприятно. Такие ситуации встречаются при эксплуатации машинки, длительное время находящейся в кредле. Во время работы температура девайса и вместе с ним аккумулятора повышается, а ведь заряд уже полный…
В связи с этим правило гласит: если Вам необходимо работать в кредле, сначала отсоедините машинку от зарядки, поработайте на ней, а когда она выйдет на “боевой” температурный режим, подключайте зарядку.
Кстати, это правило также касается владельцев ноутбуков и прочих гаджетов.

Идеальные условия для длительного хранения аккумулятора - это нахождение вне девайса с зарядом примерно 50%. Исправный аккумулятор при этом не требует заботы о себе месяцами (порядка полугода).

И напоследок еще немного информации.

  • - Вопреки сложившемуся мнению, литиевые аккумуляторы, в отличие от никелевых, почти не обладают “эффектом памяти”, поэтому, так называемая, “тренировка” нового литиевого аккумулятора практически не имеет смысла. Для собственного успокоения достаточно один-два раза полностью зарядить-разрядить новый аккумулятор. Это нужно для калибровки дополнительного контроллера.
  • - Владельцы устройств знают, что можно заряжать батарею как от зарядного устройства, так и от USB. При этом зачастую вызывает недоумение невозможность зарядки от USB. Дело в том, что по “закону” USB-контроллер должен отдавать периферийным устройствам, подключенным к нему, ток около 500 mA. Однако бывают ситуации, когда либо сам контроллер не может обеспечить такой ток, либо устройство подключают к USB контроллеру, на котором уже висит какая-то периферия, потребляющая часть мощности. Вот и не хватает тока для зарядки, особенно если аккумулятор разряжен слишком сильно.
  • - Литийсодержащие аккумуляторы ОЧЕНЬ НЕ ЛЮБЯТ ЗАМОРАЖИВАНИЕ. Всегда старайтесь избегать пользования машинкой на сильном морозе - увлечетесь, и аккумулятор придётся менять. Конечно, если Вы достали машинку из тёплого внутреннего кармана куртки и сделали пару заметок или звонков, а потом положили зверька обратно, проблем не будет.
  • - Практика показывает, что литиевые батареи (не только аккумуляторы) снижают свою ёмкость при уменьшении атмосферного давления (в высокогорье, в самолете). Вреда батареям это не приносит, но знать об этом следует.
  • - Бывает, что после приобретения аккумулятора повышенной ёмкости (скажем, 2200 mA•h вместо штатных 1100 mA•h) машинка через пару дней пользования новым аккумулятором начинает странно себя вести: виснет, отключается, зарядка аккумулятора, вроде, происходит, но как-то странно, и т.п. Не исключено, что ваше зарядное устройство, которое с успехом работает на “родном” аккумуляторе, просто не в состоянии обеспечить достаточный ток зарядки аккумулятора большой ёмкости. Выход - приобретение зарядного устройства с большим отдаваемым током (скажем, 2 ампера вместо прежнего 1 ампера).



Многие вопросы возникают из-за недопонимания как работает сама система аккумулятор-зарядка. Решил собрать в одном месте что насобирал по разным темам этого и других форумов, в публикациях. Много информации дублирует посты - но зато всё в одном месте, что лучше для понимания.

Диапазон рабочих напряжений аккумулятора

Приводимое в описаниях напряжение лит-ион аккумулятора 3,7В - это средневычисленное значение напряжения при разряде от максимального до минимального значений
Максимальное напряжение до которого обычно заряжают лит-ион аккумуляторы 4,18 - 4,20 В. Если больше - резко уменьшается срок службы аккума, меньше - уменьшается ёмкость. Управляет зарядкой контроллер зарядки на материнке коммуникатора, он же определяет и максимальное напряжение зарядки . Чтобы изменить напряжение обычно нужно перепаять контроллер. В теме про коммуникаторы Ровер обсуждалась проблема - в какой-то партии впаяли контроллеры с повышенным напряжением ( кажется 4,23 В ) - аккумуляторы стали вспухать. Сейчас правда появились контроллеры в которых основные параметры программируются. Встроенная в сам аккумулятор защита от перенапряжения обычно рассчитана на 4,3 В - аккум не взорвётся но как ограничитель при зарядке использовать нельзя, только как последний рубеж защиты аккума.
Минимальное напряжение 3,4 -3,6 В, разряжать ниже особого смысла нет - напряжение очень резко падает с разрядкой, выигрыша практически не будет. Команду на выключение даёт драйвер, причём ориентируется не на напряжение а на вычисленное или полученное от контроллера аккумулятора значение остаточного заряда. Чтобы значение 0% соответствовало реально минимальному напряжению и нужна периодическая калибровка ( если только остаточный заряд не определяется просто из таблицы напряжение - ёмкость )
Калибровка не всегда помогает - народ просто отключает драйвер. Тогда коммуникатор обычно отключается при напряжении 3,0 - 3,2 В просто от нехватки напряжения для нормальной работы. Это равносильно отключению компа выдёргиванием шнура из розетки со всеми возможными проблемами. Следует учитывать так-же возрастание внутреннего сопртивления аккума с возрастом что приводит к сильной зависимости выходного напряжения аккума от тока нагрузки и проявляется в неожиданном самоотключении коммуникатора например при звонке ( скачёк тока потребления ).
Если аккумулятор по какой-то причине разрядится ниже 3,0 В могут быть проблемы при зарядке. Если при зарядке контроллер зарядки обнаруживает что напряжение на аккуме меньше 3В, то сначала ток зарядки контроллер ограничит величиной не более 50 мА пока напряжение на аккуме не достигнет 3,0В. Режим ограничен по времени - таким способом определяются плохие аккумуляторы, зарядка которых номинальным током может привести к разгерметизации банки ( взрыву ).
Встроенная в аккумулятор защита от переразряда обычно отключает выводы банки от внешних выводов аккумулятора если напряжение упадёт ниже 2,7 - 2,4 В ( зависит от типа встроенного в контроллер аккумулятора чипа ). Здесь также будут проблемы при зарядке - доступ к выводам самой банки от внешних выводов аккума при подаче внешнего напряжение идёт через токоограничивающие цепи ( несколько десятков мА ) пока банка не зарядится до порогового напряжения.
Разряжать лит-ион аккум ниже 2 В нельзя - если он останется в таком состоянии некоторое время внутренние процессы приводят к невозможности дальнейшей эксплуатации аккумулятора ( может взорваться )

Зарядное устройство

Алгоритм зарядки и само зарядное устройство для коммуникаторов существенно отличаются от алгоритма и зарядки телефонов ряда производителей. Например телефон Nokia 6700 - у него целых два контроллера зарядки, один заряжает от фирменного "тонкого" разъёма, другой от разъёма microUSB. В первом случае контроллер забирает от ЗУ весь ток который это зарядное устройство может выдать - зарядное устройство работает в режиме с ограничением тока. Если подключить зарядку с меньшим током - аккумулятор будет заряжаться этим уменьшенным током, и наоборот. Долго не мог понять фирменные зарядки Nokia - пишут 5В и 750 мА а реально выдаёт больше 7В и сильно зависит от тока. Оказывается 5В получается если ток нагрузки равен 750 мА, при дальнейшем увеличении тока напряжение резко падает - режим стабилизации тока.
При зарядке через microUSB алгоритм совсем иной. Здесь подразумевается что зарядное устройство - просто источник стабилизированного напряжения ( что и представляет из себя источник питания порта USB компьютера ), который должен обеспечить ток затребованный контроллером зарядки. Этот ток уже не зависит от способностей зарядки - определяется самим контроллером зарядки ( лишь бы ЗУ было способно выдать зтот ток ). Забавная ситуация - у меня Nokia 6700 прекрасно заряжалась от зарядника НТС через microUSB, но отказывалась заряжаться через переходник и "тонкий" разъём ( "неподдерживаемое ЗУ" ) и наоборот - фирменная заряжала через "тонкий" и глючила через microUSB.
В коммуникаторах используется второй вариант - зарядное устройство это просто источник стабилизированного напряжения. Поскольку коммуникатор должен заряжаться и от порта USB сразу же накладываются ограничения на напряжение и максимальный ток который коммуникатор может потре*** от внешнего источника ( если не принять специальных мер , о чём ниже ) - напряжение 5В, ток не более 500 мА ( по спецификациям на USB ).
Некоторые ( например ASUS P525 - P750 ) ограничивают потребление на ещё меньшем уровне 100 мА ( максимальный ток от USB 1 или разветвителя ). Чтобы включить 500 мА, ASUS получает по интерфейсу данные от компа о нагрузочной способности соответствующего порта и включает максимальный допустимый ток. Большинство же коммуникаторов просто ограничивают ток потребления от порта 500 мА.
Мощный коммуникатор при работе может сам потре*** больше чем 500 мА, аккумулятор при таком ограничении тока от зарядного устройства будет разряжаться а не заряжаться. От ЗУ можно бы взять и побольше тока но как отличить подключение к ЗУ от подключения к порту ? Сейчас в большинстве случаев в ЗУ просто закорачивают контакты 2 и 3 ( шина данных ) в разъёме USB. Так делают в ASUS, HTC HD, HTC MAX, HTC Diamond2. Например в HTC D2 если подключить ЗУ с незамкнутыми контактами 2 и 3 контроллер зарядки ограничит потребление на уровне около 450 мА, если контакты 2 и 3 замкнуть ограничение будет уже около 900 мА. Аналогично у HTC HD и HTC MAX. У HTC X7500 иначе - там надо замыкать контакты х и 4 в миниUSB, ограничение по потреблению изменяются аналогично. В штатных зарядках ASUS Pxxx, HTC HD, HTC MAX, HTC D2 контакты 2 и 3 замкнуты.
Использовать зарядки рассчитанные на ток больше 1А смысла нет - пока не слышал о коммуникаторах в которых контроллер зарядки ограничивал бы ток потребления от зарядки на уровне больше 1А.
Зарядка от порта мало отличается от зарядки зарядным устройством - только током, конечный заряд будет одинаков. В некоторых коммуникаторах контроллер зарядки не включит зарядку пока не произойдёт обмен данными с компом ( соответственно коммуникатор должен быть включён и опознан ББ )

Зарядка аккумулятора и измерение степени заряженности

1. Контроллер зарядки ( чип на материнке коммуникатора ) занимается только зарядкой аккума и выбором источника для питания коммуникатора - внешний источник или аккумулятор. Его задача - сформировать правильный алгоритм зарядки аккума - в два этапа
1 этап - зарядка постоянным током до предельного напряжения ( около 4,2 В ). Переключение на второй этап происходит при зарядке аккумулятора до примерно 85%
2 этап - дальнейшая зарядка производися плавно падающим током при сохранении постоянным зтого напряжения ( 4,2В ). Зарядка продолжается пока ток не упадёт до величины около 3% от первоначального ( 15 -30 мА ). Этот этап занимает около часа.
После этого зарядка полностью прекращается и снова включится только если напряжение на аккуме упадёт ниже определённого значения или переподключить внешний источник ( но в этом случае критерий полной зарядки аккума будет выполнен сразу и зарядка опять прекратится ). При таком алгоритме аккумулятор зарядится максимально полно независимо от начального тока ( может быть разным - включён или выключен коммуникатор при зарядке, от какого источника заяжается ).Чип ограничивает ток потребления от внешнего источника :
Ток потребления от внешнего источника = ток зарядки аккумулятора + ток для работы коммуникатора
больше задействовано ресурсов - больше потребляет сам коммуникатор - меньше остаётся тока на зарядку.
Чип также контролирует температуру аккума - один из выводов на аккумуляторе это выход термистора расположенного в аккуме, по его сопротивлению контроллер зарядки и определяет температуру аккумулятора. Если ниже 0 градусов или выше заданного значениия - зарядка аппаратно ( в чипе контроллера зарядки ) запрещена.
Т.о. контроллер зарядки контролирует только максимальное значение напряжения на аккумуляторе, не допуская его превышения. До какого напряжения разрядится аккумулятор - его не волнует. Единственно - если при зарядке контроллер обнаруживает что напряжение на аккуме меньше 3В, то сначала ток зарядки контроллер ограничит величиной не более 50 мА пока напряжение на аккуме не достигнет 3,0В. Режим ограничен по времени - таким способом определяются плохие аккумуляторы, зарядка которых номинальным током может привести к разгерметизации банки ( взрыву ). Так же этот чип никоим образом не причастен к вычислению степени заряженности аккума.

2. С выхода контроллера зарядки нестабилизированное напряжение = напряжению аккумулятора поступает на чип менеджера питания на материнке коммуникатора, и уже этот чип выдаёт несколько стабилизированных напряжений для питания узлов коммуникатора.
Нередко нестабильная работа коммуникатора или повышеноое потребление связано с этими чипами или с их окружением ( конденсаторы, диоды и т.д. )

3. Контроллер аккумулятора ( тот что расположен в самом аккумуляторе ) в основном необходим для защиты лит-ион банки от перенапряжения, переразрядки, коротких замыканий, переполюсовки входного напряжения. Неправильная эксплуатация лит-ион аккумуляторов ( в отличие от других типов ) может привести к печальным последствиям, поэтому для них и была придумана защита в виде контроллера аккумулятора.
Во многих случаях ( но не всегда ) в контроллер аккумулятора добавляют ещё один чип, который участвует в вычислении степени заряженности аккумулятора.
Очень кратко суть: втекающий/вытекающий заряд измеряет специализированный чип в контроллере аккумулятора и передаёт информацию по однопроводному интерфейсу хосту ( коммуникатору ), драйвер обсчитывает и выдаёт %.
Если этого чипа в контроллере аккумулятора нет, степень заряженности вычисляется просто по напряжению - на материнке есть АЦП, который измеряет напряжение аккумулятора и по таблице зашитой в драйвер вычисляется степень заряженности аккума.
В большинстве современных коммуникаторов контроллеры аккумулятора имеют подобный чип. Критерий определения степени заряженности 100 % ( и зелёный индикатор ) аналогичен тому что используется в контроллере зарядки ( на примере чипа измерителя DS2780 ) : напряжение превысило максимальное значение ( порог устанавливается чуть ниже чем в контроллере зарядки ), ток зарядки постепенно уменьшается и достигает минимального уровня ( порог чуть выше чем ток при котором контроллер зарядки полностью прекращает зарядку ). Возможно там где используются другие чипы измерителя алгоритм несколько отличается. Но в любом случае - контроллер зарядки ( только он определяет как заряжать аккум и когда прекратить зарядку ) и измеритель степени заряженности ( никак не влияет когда зарядку аккумулятора закончить ) независимы друг от друга. Т.е. зелёный индикатор отнюдь не означает что зарядка полностью прекратилась ( при включённом коммуникаторе ) и наоборот: аккумулятор может быть полностью заряжен а индикатор всё никак не зеленеет ( помогает СР ).

Внутреннее сопротивление аккумулятора

Нормально на разрядку аккумулятора система реагирует предупреждениями, последовательным отключением энергопотребляющих ресурсов ( WiFi и т.п. ) и отключением при 0%. Процесс измерения степени заряженности весьма инерционен и не реагирует на быстрые изменения напряжения ( в то время как электроника весьма чувствительна к кратковременным просадкам напряжения ) . А чем больше внутреннее сопротивление аккумулятора тем больше просадка напряжения при повышении нагрузки - например при входящем звонке или приёме-передаче данных.
Uвых=Uэдс - Iнагр x Rвнутр
При небольшом среднем потреблении напряжения достаточно, % степени заряженности далёк от критического - но стоит току резко возрасти ( входящий звонок - при этом импульс тока может быть весьма большим ) при большом внутреннем сопротивлении напряжение просаживается ниже допустимого предела, система отключается ( или зависает ). Внутреннее сопротивление хорошего лит-ион аккумулятора не превышает 0,2 Ом, с возрастом увеличивается в большей степени чем у аккумов других типов. Обычно чем больше ёмкость аккумулятора - меньше внутреннее сопротивление. Аналогично влияет и сопротивление контактов.

Поиск решения проблемы с аккумулятором

Зачастую проблемы с аккумулятором вызваны не банкой аккумулятора а глюками этого самого измерителя ( чипа или драйвера ).
Состояние ситемы аккумулятор-зарядка можно оценить по 4 параметрам:
1. Максимальное напряжение на аккумуляторе без нагрузки - 4,18 - 4,2 В. Если меньше - проблемы возможно с зарядным устройством ( низкое напряжение) или с контроллером зарядки на материнке коммуникатора
2. Минимальное напряжение - напряжение при котором коммуникатор отключается при работе с минимальной нагрузкой. Зависит от температуры, обычно 3,4 - 3,6 В при комнатной температуре. Если больше - скорей всего проблема с калибровкой измерителя. Разряжать ниже этих значений смысла нет - напряжение очень резко падает, заметного выигрыша не получить.
3. Внутреннее сопротивление - на хорошем лит ион обычно не больше 0,2 Ом. Проявляется в неожиданном саммоотключении устройства при резком возрастании нагрузки ( входящий звонок ) при вроде достаточном уровне зарядки. Сильно зависит от температуры - почему лит-ион плохо работают на морозе. Для примера: приехал на дачу, холодно, температура коммуникатора как на улице - около 5 град, отключился и не включается. Положил к печке, нагрелся до примерно 40 град - включился и проработал ещё минут 45.
4. Сопротивление контактов аккумулятор - тело коммуникатора. Хоть они и золочёные но бывает увеличивается. Проявляется аналогично внутреннему сопротивлению, только от температуры не зависит. Почистить стирательной резинкой ( ни в коем случае наждаком - сдерёте покрытие )

Зная ответы по этим пунктам можно что-то сказать о проблеме: виноват сам аккумулятор, какие-то программы или нужно калибровать измеритель.

 

Источник